( PDF ) Remoção de poluentes em sistemas alagados construídos de escoamento vertical cultivados com diferentes espécies vegetais

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ANTOVER PANAZZOLO SARMENTO

REMOÇÃO DE POLUENTES EM SISTEMAS ALAGADOS

CONSTRUÍDOS DE ESCOAMENTO VERTICAL

CULTIVADOS COM DIFERENTES ESPÉCIES VEGETAIS

Dissertação apresentada à

Universidade Federal de Viçosa, como

parte das exigências do Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Agrícola, para

obtenção do título de Magister Scientiae.

VIÇOSA

MINAS GERAIS – BRASIL

2010

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ANTOVER PANAZZOLO SARMENTO

REMOÇÃO DE POLUENTES EM SISTEMAS ALAGADOS

CONSTRUÍDOS DE ESCOAMENTO VERTICAL

CULTIVADOS COM DIFERENTES ESPÉCIES VEGETAIS

Dissertação apresentada à

Universidade Federal de Viçosa, como

parte das exigências do Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Agrícola, para

obtenção do título de Magister Scientiae.

APROVADA EM: ____ / ____ / ____

____________________________

Prof. Mauro Aparecido Martinez

____________________________

Prof.ª Ann Honor Mounteer

____________________________

Prof. Antonio Teixeira de Matos

(Coorientador)

____________________________

Prof.ª Paola Alfonsa V. Lo Monaco

____________________________

Alisson Carraro Borges

(Orientador)

ads:

Aos meus pais José Alfredo e Marlene Maria Panazzolo

Sarmento e minha irmã Mara Paula Panazzolo

Sarmento, pelo apoio e incentivo.

Ofereço e dedico.

iii

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, pela fé e perseverança, presentes em todos os momentos.

À minha mãe, meu pai e minha irmã, por tudo aquilo que representam em

minha formação pessoal.

À Isabella, pelo carinho e apoio em todos os momentos, e sua família, por

sempre me receberem de braços abertos.

À Universidade Federal de Viçosa, por intermédio do Departamento de

Engenharia Agrícola, pela oportunidade de realizar o curso, e à FAPEMIG, pela

concessão da bolsa de estudo.

Ao Professor Alisson Carraro Borges, pela oportunidade, incentivo e

orientação.

Ao Professor Antonio Teixeira de Matos, pelos conselhos, incentivo,

coorientação e ajuda.

A Professora Maria Eliana Lopes Ribeiro de Queiroz, pela coorientação.

Ao Professor Paulo Afonso Ferreira, pela oportunidade, conselhos e pela

orientação.

Aos membros da banca, Professores Ann Honor Mounteer, Mauro Aparecido

Martinez e Paola Alfonsa Vieira Lo Monaco pela participação e sugestões no

trabalho.

Aos Professores do DEA/UFV, pelo conhecimento e auxílio quando

solicitados.

A todos os funcionários do DEA pela eficiência, presteza e pela agradável

convivência. E a todos os funcionários da UFV que contribuíram para a condução de

meu experimento.

Aos amigos e colegas do DEA e da UFV.

Aos colegas de trabalho Ed Carlo, Maike, Paola, Júnior e Fabiana pela

contribuição ao longo deste trabalho. E a todos os amigos e colegas de curso, pela

convivência e aprendizado durante os anos de minha vida acadêmica, sintam-se

todos agradecidos.

Ao estagiário Rafael, pela disposição e contribuição com o trabalho.

E não podendo esquecer de todo pessoal da República “Tchê”, a república

mais baguala de Viçosa.

CONTEÚDO

RESUMO ....................................................................................................... vi

ABSTRACT ................................................................................................. viii

INTRODUÇÃO GERAL ............................................................................... 1

INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA .............................................................. 1

OBJETIVO ....................................................................................................... 5

REFERÊNCIAS ............................................................................................... 6

CAPÍTULO 1 - EFEITO DO TEMPO DE RETENÇÃO

HIDRÁULICA E DAS ESPÉCIES VEGETAIS CULTIVADAS NO

DESEMPENHO DE SISTEMAS ALAGADOS CONSTRUÍDOS DE

ESCOAMENTO VERTICAL .................................................................... 9

RESUMO ......................................................................................................... 9

ABSTRACT ................................................................................................... 10

INTRODUÇÃO ...................................................................................... 11

MATERIAL E MÉTODOS .................................................................... 12

RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................ 16

3.1.

Caracterização da Água Residuária da Suinocultura........................ 16

3.2.

Influência das espécies vegetais na eficiência de remoção de

poluentes da ARS .................................................................................... 18

3.3.

Influência do tempo de retenção hidráulica na eficiência de

remoção de poluentes da ARS ................................................................ 22

3.4.

Análise morfológicas das espécies vegetais ..................................... 25

3.5.

Carga mássica e aplicabilidade ......................................................... 27

CONCLUSÕES ....................................................................................... 29

REFERÊNCIAS ............................................................................................. 30

CAPÍTULO 2 - AVALIAÇÃO DE SISTEMAS ALAGADOS

CONSTRUÍDOS DE ESCOAMENTO VERTICAL TRATANDO

ÁGUA RESIDUÁRIA DE SUINOCULTURA ....................................... 33

RESUMO ....................................................................................................... 33

ABSTRACT ................................................................................................... 35

INTRODUÇÃO ...................................................................................... 36

MATERIAL E MÉTODOS .................................................................... 37

RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................ 40

3.1.

Eficiência dos SACs na remoção de poluentes da ARS ................... 40

3.1.1.

Sólidos ...................................................................................... 42

3.1.2.

Matéria Orgânica ...................................................................... 44

3.1.3.

Macronutrientes ........................................................................ 48

3.1.4.

Outras variáveis ........................................................................ 52

3.2.

Temperatura, umidade e evapotranspiração na casa de vegetação .. 55

3.3.

A planta e os nutrientes .................................................................... 56

3.3.1.

Produção de massa .................................................................... 56

3.3.2.

Absorção de nutrientes e sódio pelas plantas ........................... 58

CONCLUSÕES ....................................................................................... 60

REFERÊNCIAS ............................................................................................. 61

CONCLUSÕES E SUGESTÕES ................................................................ 67

CONCLUSÕES GERAIS .............................................................................. 67

SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS ............................................... 69

APÊNDICE ................................................................................................... 71

RESUMO

SARMENTO, Antover Panazzolo, M.Sc., Universidade Federal de Viçosa, Fevereiro

de 2010. Dinâmica da remoção de poluentes em sistemas alagados

construídos de escoamento vertical cultivados com diferentes espécies.

Orientador: Alisson Carraro Borges. Coorientadores: Antonio Teixeira de

Matos e Maria Eliana Lopes Ribeiro de Queiroz.

Sabe-se que a água residuária da suinocultura (ARS) pode ser tratada,

aproveitada na agricultura ou ainda, ser despejada em corpos hídricos, desde que seja

atendido o que está estabelecido na legislação ambiental vigente. Face à realidade

brasileira, a escolha dos tipos de tratamentos nas áreas de criação de animais vem

recaindo em sistemas de biorremediação que conjuguem baixos custos e

simplicidade operacional. Dentre as soluções disponíveis para o tratamento da ARS,

distingue-se a aplicação em sistemas alagados construídos (SACs). Objetivou-se,

num primeiro momento, avaliar a influência do tempo de retenção hidráulica (TRH)

e das espécies vegetais cultivadas em SACs de escoamento vertical na remoção de

poluentes contidos na ARS. Foram estudados 12 SACs cilíndricos (∅ 0,6 m x 0,3 m

de altura, preenchidos com 25 cm de brita “zero”), sendo 3 cultivados com Cyperus

sp.(tiriricão), 3 com Heliconia rostrata (helicônia), 3 com Hedychium coronarium

(lírio-do-brejo) e 3 controles (somente com a brita). A carga orgânica aplicada por

unidade de área foi de 20 g m

-2

-1

de DQO. A ARS foi submetida a tratamento por

TRHs equivalentes a 24, 48, 72 e 96 h. Analisaram-se os afluentes e efluentes dos

SACs, sendo as seguintes variáveis estudadas: potencial hidrogeniônico (pH),

condutividade elétrica (CE), potencial redox (Eh), turbidez, alcalinidade (AT),

demanda química de oxigênio (DQO), nitrogênio total (N

), nitrogênio total Kjeldahl

(NTK), nitrogênio amoniacal (N

amon

), nitrato (N-NO

), fósforo total (P

), potássio

(K) e sódio (Na). As análises estatísticas foram realizadas no aplicativo WinStat

2.11, sendo utilizado o teste Tukey para a comparação entre médias, cuja avaliação

procedeu-se em nível de 1% de probabilidade. Como resultado geral, notou-se que os

SACs que trabalharam sob os maiores TRHs apresentaram as maiores remoções de

poluentes. Nos SACs cultivados, observou-se remoção de NTK 1,3 vez maior em

relação aos SACs não cultivados. Em relação à espécie vegetal a ser cultivada nos

SACs de escoamento vertical e ao TRH mais apropriado, a melhor combinação

vii

observada foi a dos SACs cultivados com Cyperus sp. operando sob TRH de 72 h,

que apresentaram as maiores remoções mássicas médias, com valores de 69,1% para

DQO, 56,5% para NTK, 61,7% para N

amon,

64,3% para fósforo e 55,0% para

potássio. Após tal constatação, em uma segunda experimentação, monitorou-se por

90 dias, SACs de escoamento vertical tratando água residuária de suinocultura

(ARS), com o objetivo de avaliar a contribuição do Cyperus sp. na remoção mássica

dos poluentes contidos na ARS. Dois SACs de escoamento vertical (sendo um

cultivado e um controle) foram operados em paralelo, sob um TRH de 72 h. As

diferenças significativas observadas, quando considerando a eficiência média de

remoção foram de 37,5 e 28,5% para o NTK, de 55,9 e 44,4% para o P

, 30,2 e

25,6% para AT e 26,1 e 22,9% para CE nos SACs cultivado e não cultivado,

respectivamente. Não se verificou diferença estatística entre os 2 SACs para as

demais variáveis analisadas. Com absorção de nutrientes de 21,8; 2,1; 14,0 e

0,9 g m

-2

de N, P, K e Na, respectivamente, o Cyperus sp. apresentou produtividade,

em termos de matéria seca (MS), de 674,5 g m

-2

, com uma taxa de produtividade de

MS de 7,5 g m

-2

-1

. Durante o período de condução do experimento, verificou-se

que a evapotranspiração média (2,7 mm d

-1

), estatisticamente superior no SAC

cultivado em relação ao não cultivado, foi fundamental na contabilização da remoção

mássica das variáveis analisadas. Como conclusão geral, observou-se que o cultivo

de plantas em SACs se faz importante para a obtenção de maiores remoções de

nutrientes, além de propiciar a formação de um ambiente com melhor estética

paisagística. Com base nos resultados obtidos, pode-se afirmar que sistemas alagados

construídos de escoamento vertical podem ser utilizados como etapa complementar

no tratamento de efluentes suinícolas.

viii

ABSTRACT

SARMENTO, Antover Panazzolo, M.Sc., Universidade Federal de Viçosa, February

2010. Dynamics of the pollutants removal in vertical-flow constructed

wetlands cultivated with different plant species. Advisor: Alisson Carraro

Borges. Co-advisors: Antonio Teixeira de Matos and Maria Eliana Lopes

Ribeiro de Queiroz.

It is known that swine wastewater (SWW) can be treated, exploited in

agriculture or be discharged to water bodies, provided it obeys what is established by

environmental law. Given the Brazilian reality, the choice of types of treatments in

the areas of animal husbandry has been focused on bioremediation systems that

combine low cost and operational simplicity. The solutions available for the

treatment of SWW include their application in constructed wetlands (CWs). The

objective, initially, was to evaluate the influence of hydraulic retention time (HRT)

and cultivated plant species in vertical-flow CWs (VFCWs) for pollutants removal.

The organic loading per unit area applied was 20 g m

-2

-1

of COD, to 12 cylindrical

CWs (∅ 0.6 m x 0.3 m, filled with 25 cm of gravel "zero"), 3 planted with Cyperus

sp., 3 with Heliconia rostrata, 3 with Hedychium coronarium and 3 controls

(unvegetated). The HRTs tested were 24, 48, 72 and 96 h. The influent and effluent

of the CWs was analyzed, by quantifying the following parameters: pH, electrical

conductivity (EC), redox potential (Eh), turbidity, alkalinity (TA), COD, TN, TKN,

, N-NO

, TP, K and Na. Statistical analysis was performed using the software

WinStat 2.11, followed by the Tukey test for comparison between means, cat a level

of 1% probability. As a general result, it was noted that the greatest reductions were

observed when CWs operated under a higher HRT. In planted CWs TKN removals

were 1.33 times higher than in unplanted CWs. Regarding the type of plant being

grown in the VFCWs and the most appropriate HRT, the best combination observed

was that of CWs planted with Cyperus sp. operating at a HRT of 72 h, which had the

highest average mass removals, with values of 69.1% (COD), 56.5% (TKN), 61.7%

(NH

), 64.3% (TP) and 55.0% (K). In a second phase, after it was established that the

Cyperus sp. at a HRT of 72 h was the best combination, the VFCWs was monitored

for 90 days, to evaluate the contribution of Cyperus sp. in mass removal of pollutants

in the SWW. Two VFCWs (planted and unplanted), were operated in parallel with a

HRT equivalent to 72 h. Significant differences were observed between planted and

unplanted CWs, when comparing the variables TKN (37.5 and 28.5%), TP (55.9 and

44.4%), TA (30.2 and 25.6%) and EC (26.1 and 22.9%). There was no statistical

difference between planted and unplanted CWs for most of the variables analyzed.

At a nutrient uptake of 21.8, 2.1, 14.0, and 0.9 g m

-2

of N, P, K and Na, respectively,

the Cyperus sp. presented a dry matter productivity of 674.5 g m

-2

, with a dry matter

yield of 7.5 g m

-2

-1

. Evapotranspiration (2.7 mm d

-1

), statistically higher in the

planted CW, has a fundamental role in accounting for the mass removal of all

variables. As a general conclusion, it was observed what VFCWs can be used to

complement treatment of SWW and the cultivation of plants in the CWs is important

to achieve higher removal of nutrients, as well as provide a more aesthetically

pleasing environmental landscape.

INTRODUÇÃO GERAL

INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA

A criação de suínos (Sus domesticus) tem se apresentado como uma

atividade importante, gerando renda e emprego nos vários setores da economia. A

produção dentro da cadeia suinícola, quando comparada à de outras espécies de

médio e grande porte, tem produzido grandes quantidades de carne, em reduzida

área física e curto intervalo de tempo (Oliveira, 2006). Entretanto, este ainda é um

setor que apresenta reduzida qualidade ambiental devido, principalmente, à

emissão não controlada de seus efluentes que poluem os corpos hídricos e os

solos, além de afetar a qualidade do ar.

Sabe-se que a água residuária da suinocultura (ARS) pode ser tratada,

aproveitada para diversos fins na agricultura ou ainda ser despejada em corpos

hídricos, desde que se atenda ao que está estabelecido na legislação ambiental

vigente. Face à realidade brasileira, a escolha dos tipos de tratamentos nas áreas

de criação de animais e exploração agrícola vem sendo focada em sistemas de

biorremediação que conjuguem baixos custos e simplicidade operacional.

Os alagados naturais (wetlands) são considerados depuradores de água no

ambiente, pois absorvem nutrientes e outras substâncias, reduzindo a

contaminação de ecossistemas a jusante do ponto de lançamento dos despejos

(Cole, 1998). Em razão de tal capacidade autodepuradora, sistemas alagados

construídos (SACs) têm sido implantados com bons resultados no tratamento de

águas residuárias desde as décadas de 1960 e 1970 (USEPA, 1999). O primeiro

trabalho aceito cientificamente a utilizar o conceito foi o realizado em 1952 por

Käthe Seidel, cientista alemã, que avaliou a capacidade dos sistemas na

purificação da água, cultivando Schoenoplectus lacustris sobre brita e areia como

meio suporte. Com estes estudos deu-se origem ao sistema Seidel, ou Max Planck

Institute Process (MPIP), que consistia na implantação de um sistema com

estágios de tratamento por escoamento vertical em SACs cultivados com

Phragmites australis, seguidos de células de escoamento horizontal cultivadas

com Schoenoplectus lacustris e de outras células de escoamento horizontal

cultivada com Iris pseudacorus (Kadlec e Wallace, 2009).

Esses sistemas se caracterizam por apresentar moderado custo de

instalação, reduzido consumo de energia e manutenção, estética paisagística e

aumento do habitat para a vida selvagem (Brasil et al., 2007). Os SACs podem ser

classificados em três tipos, conforme o escoamento utilizado: (i) superficial, (ii)

subsuperficial horizontal e (iii) vertical. Cada tipo de escoamento proporciona um

grau diferente de interação do efluente com as raízes, rizomas e biota microbiana

(Salati, 2000).

Nos SACs do tipo vertical, consideram-se duas direções de escoamento:

descendente (a mais frequente) e ascendente. Nos sistemas de escoamento vertical

descendente, a distribuição do efluente é feita na superfície dos leitos e o

deslocamento do líquido acontece por percolação. Nos sistemas de escoamento

vertical ascendente, o movimento do líquido ocorre por contra-percolação (Salati,

2000).

O uso de SACs de escoamento vertical ou horizontal está aumentando em

todo o mundo. Segundo Vymazal (2005), somente de escoamento horizontal já

são mais de 50.000 na Alemanha, 8.000 na América do Norte, 1.000 na Áustria e

muito mais em outros países. Em relação a SACs de escoamento vertical, ainda

não se tem registros de levantamentos de dados relativos ao assunto, sendo que

seu uso em maiores escalas pode ser considerado recente. Kadlec e Wallace

(2009) citam que os SACs de escoamento vertical estão sendo utilizados com boa

aceitação, , haja vista as reduzidas áreas demandadas para a instalação desses

sistemas.

Em geral, os mecanismos envolvidos no tratamento por SACs são:

filtração pelo meio suporte e pelo biofilme, degradação microbiana da matéria

carbonácea e nitrogenada, absorção de nutrientes pelas plantas e adsorção no meio

suporte, entre outros (Kadlec e Wallace, 2009).

Particularmente em relação à remoção de nitrogênio, sabe-se que nos

SACs pode ocorrer em, no mínimo, 3 maneiras: (i) amônio oxidado a nitrito, e

este, a nitrato por bactérias nitrificantes, em condições aeróbias, e posteriormente

nitrato convertido a gás N

, em condições anóxicas, por bactérias desnitrificantes;

(ii) remoção via imobilização, por meio da absorção pelas plantas; (iii) e remoção

por volatilização da amônia. Vymazal (2007) relata que além dos processos

citados, pode ocorrer também a chamada oxidação anaeróbia de amônia,

conhecida por processo ANAMMOX, em que, ocorre a conversão anaeróbia de

e de NH

a N

Quanto ao fósforo, processos de precipitação química e adsorção,

assimilação pelos vegetais e biofilmes formados no substrato e no sistema

radicular da vegetação podem ocorrer frequentemente. Sabe-se que o fósforo

solúvel é facilmente absorvido pelos sistemas radiculares das plantas aquáticas. Já

a fração pouco solúvel associa-se ao ferro, ao alumínio e ao cálcio, tornando-se

pouco assimilável pela planta, bem como pelos micro-organismos (Sousa et al.,

2004).

A mitigação dos metais pesados pode ocorrer por adsorção em sítios de

troca iônica, ou precipitação como óxidos e sulfetos insolúveis. Além disso, os

íons metálicos podem ser adsorvidos em hidróxidos de ferro e manganês ou

complexados por compostos orgânicos, tais como ácidos húmicos e fúlvicos

(DeBusk, 1999).

O mecanismo envolvido no processo de redução dos coliformes, totais e

termotolerantes é uma combinação de fatores físicos, químicos e biológicos.

Dentre os fatores físicos, destacam-se: a filtração proporcionada pelo sistema

radicular das plantas e meio suporte, a fixação de biofilme no substrato e nas

macrófitas e a sedimentação. Os fatores químicos envolvem oxidação, efeito

biocida resultante de exsudatos radiculares de algumas macrófitas e adsorção ou

complexação/quelatação pela matéria orgânica (Sousa et al., 2004). O mecanismo

biológico, segundo Rivera et al. (1995), inclui produção e efusão de substâncias

químicas no ambiente que impedem o desenvolvimento de outros organismos,

predação por nematóides e parasitas, ataque por bactérias líticas e vírus e morte

natural.

A vegetação, de ação fundamental no tratamento em SACs, possibilita a

remoção de nutrientes disponibilizados pela água residuária, extraindo macro e

micronutrientes, evitando seu acúmulo e a consequente salinização do meio,

favorecendo, também, o desenvolvimento de filmes biologicamente ativos que

propiciam a degradação dos compostos orgânicos, concorrendo para mais

eficiente e rápida depuração da água residuária (Kadlec e Wallace, 2009). As

espécies vegetais frequentemente utilizadas em sistemas de tratamento em áreas

alagadas são plantas helófitas, sendo escassas as pesquisas e utilizações de

espécies ornamentais ou economicamente rentáveis.

Vários são os registros de SACs tratando águas residuárias agroindustriais

sob condições de clima tropical, como por exemplo águas residuárias de laticínios

(Matos et al., 2008) e da lavagem e do despolpamento dos frutos do cafeeiro (Fia

et al., 2008).

Em relação à ARS, registram-se as revisões de Hunt e Poach (2001),

Knight et al. (2000) e Cronk (1996), que compilaram dados sobre o uso de SACs

para tratamento de ARS. No Brasil, Matos et al. (2009) em um experimento com

SACs de escoamento subsuperficial horizontal, cultivados com Typha latifolia,

Alternanthera philoxeroides e Cynodon dactylon, observaram remoções de

89,0%, 96,5%, 58,1% e 50,7% para DQO, Zn, N

e P

, respectivamente, com os

SACs operando sob uma taxa de carregamento orgânico (L

) de 59,1 g m

-2

-1

DQO.

No que se refere a SACs de escoamento vertical, no Brasil, registra-se o

estudo de Sezerino et al. (2003), que avaliaram esse sistema no pós tratamento de

ARS efluente de sistema de lagoas de estabilização. Os autores afirmam, nesse

estudo, que são necessárias mais pesquisas para ampliar os conhecimentos acerca

dos mecanismos de remoção de nutrientes da ARS.

Diante do exposto, verifica-se a necessidade de melhor compreensão da

remoção/retenção dos poluentes de ARS em SACs de escoamento vertical, uma

vez que poucos são os relatos sobre o uso desses sistemas para tal proposta.

OBJETIVO

O presente estudo teve como objetivo avaliar a remoção de poluentes da

água residuária de suinocultura, em sistemas alagados construídos de escoamento

vertical cultivados com as espécies Heliconia rostrata (helicônia), Hedychium

coronarium (lírio-do-brejo) e Cyperus sp. (tiriricão), analisada com base na

influência das plantas e no tempo de retenção hidráulica (TRH).

Para o cumprimento do objetivo geral, a pesquisa foi realizada em duas

etapas. Na primeira fase, estudou-se SACs submetidos a choques de cargas

orgânicas, com o intuito de se observar a robusticidade das plantas e,

consequentemente, a melhor interação entre espécie vegetal e TRH. Após a

definição de condição experimental ótima (espécie e TRH), realizou-se uma

segunda experimentação, em médio prazo, na qual foram investigadas, durante

um período de 90 dias, as diferenças na operação e desempenho entre sistemas

cultivados e não vegetados, sendo que nesta etapa as plantas já estavam adaptadas

a aplicação de ARS.

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CRONK, J.K. Constructed wetlands to treat wastewater from dairy and swine

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MATOS, A.T.; FREITAS, W.S.; FIA, R.; MATOS, M.P. Qualidade do efluente

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SALATI, E. Utilização de sistemas de wetlands construídas para tratamento

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CAPÍTULO 1

EFEITO DO TEMPO DE RETENÇÃO HIDRÁULICA E DAS

ESPÉCIES VEGETAIS CULTIVADAS NO DESEMPENHO DE

SISTEMAS ALAGADOS CONSTRUÍDOS DE ESCOAMENTO

VERTICAL

RESUMO

Como objetivo precípuo deste estudo, visou-se avaliar a influência do

tempo de retenção hidráulica (TRH) e das espécies vegetais cultivadas em SACs

de escoamento vertical, na remoção de poluentes. A carga aplicada orgânica por

unidade de área foi de 20 g m

-2

-1

de DQO, sendo 9 SACs cilíndricos, cultivados

com Cyperus sp. (tiriricão), Heliconia rostrata (helicônia) e com Hedychium

coronarium (lírio-do-brejo) separadamente e 3 SACs controle, não plantados. Os

TRHs testados foram 24, 48, 72 e 96 h. As variáveis estudadas foram: pH,

condutividade elétrica, potencial redox, turbidez, alcalinidade, DQO, N

, NTK,

amon

, N-NO

, P

, K e Na. A comparação de médias foi realizada com o teste

Tukey, em nível de 1% de probabilidade. Notou-se que as maiores remoções

foram observadas quando os SACs trabalharam sob maiores TRHs. Nos SACs

cultivados, observaram-se remoções médias (NTK) 1,3 vez maior que as obtidas

nos SACs não cultivados. Concluiu-se que a melhor combinação observada foi a

dos SACs cultivados com Cyperus sp. trabalhando sob o TRH de 72 h, com

remoções mássicas médias de 69,1% (DQO), 56,5% (NTK), 61,7% (N

amon

)

64,3%

(P) e 55,0% (K).

PALAVRAS-CHAVE: macrófitas tropicais, escoamento vertical, Cyperus sp.,

tempo de retenção

EFFECT OF CULTIVATED SPECIES AND HYDRAULIC

RETENTION TIME ON THE PERFORMANCE OF VERTICAL-

FLOW CONSTRUCTED WETLANDS

ABSTRACT

This study aimed to evaluate the influence of hydraulic retention time

(HRT) and cultived species in vertical-flow constructed wetlands (VFCWs) on

pollutants removal. The organic loading per unit area applied was 20 g m

-2

-1

COD, in 9 cylindrical CWs, planted with Cyperus sp., Heliconia rostrata and

Hedychium coronarium and 3 controls, containing only gravel. The HRTs tested

were 24, 48, 72 and 96 h. The influent and effluent of the VFCWs were analyzed,

far the following parameters: pH, electrical conductivity, redox potential,

turbidity, alkalinity, COD, TN, TKN, NH

, N-NO

, TP, K and Na. Statistical

analysis was performed using WinStat 2.11 at the 1% level of probability

according to the Tukey test. It was noted that the greatest reductions were

observed when CWs was operated at higher HRT. In the planted CWs removals

(TKN) 1.33 times higher than in unplanted CWs were observed. The best

combination observed was that of CWs planted with Cyperus sp. operating at a 72

h HRT, which had the highest average mass removals, with values at 69.1%

(COD), 56.5% (TKN), 61.7% (NH

), 64.3% (TP) and 55.0% (K).

KEYWORDS: tropical macrophytes; vertical flow pathway; Cyperus sp.;

retention time

1. INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, têm sido observados grandes avanços no

desenvolvimento e na pesquisa de técnicas de tratamento de águas residuárias,

tanto para satisfazer o tratamento em sistemas de maior complexidade, quanto

para os de pequeno porte e simplicidade operacional, como lagoas de

estabilização, reatores anaeróbios e sistemas alagados construídos (Mazzola et al.,

2005).

No entanto, no Brasil, o número de estudos científicos sobre SACs

tratando efluentes agroindustriais ainda é modesto. Registram-se estudos recentes

sobre o uso de sistemas de escoamento sub-superficial horizontal (Brasil et al.,

2007; Fia et al., 2008 e Matos et al., 2008), mas quando considera-se a

possibilidade do uso de sistemas verticais, as informações de resultados de

pesquisa podem ser consideradas escassas. Os SACs de escoamento horizontal,

tem se mostrado promissores devido à alta capacidade em remover matéria

orgânica, fácil implantação e baixo custo. Seguindo essa mesma linha de pesquisa,

porém se objetivando melhor remoção de poluentes, em especial de nitrogênio,

iniciaram-se os estudos em SACs de escoamento vertical, nos quais é de se

esperar uma oxigenação maior do meio suporte e o favorecimento dos processos

de nitrificação-desnitrificação.

Fatores adicionais às configurações de construção que influenciam

diretamente na eficiência de remoção dos poluentes são o tempo de retenção

hidráulica (TRH) adotado e a espécie vegetal cultivada no sistema. O TRH pode

variar de horas até mesmo dias. As espécies vegetais, cada uma com sua

particularidade, podem ser utilizadas separadamente ou de maneira consorciada,

tentando combinar as qualidades e a absorção de nutrientes para determinados

fins.

O TRH em SACs de escoamento vertical pode ser contabilizado de duas

formas: considerando como sendo o tempo de esvaziamento do SAC após ter sido

cheio (Cooper et al., 1997) ou como o tempo de reação pré-estabelecido para

permanência da água residuária no sistema (Mazzola et al., 2005).

As plantas têm papel importante na remoção de nutrientes específicos.

Matos et al. (2009a), relatam, por exemplo, a absorção de 106,8 g m

-2

nitrogênio pela Alternanthera philoxeroides e a absorção de 10,7 g m

-2

de fósforo

pela Cynodon dactylon. No entanto, apesar de considerável tempo de estudo em

nível internacional, pode-se afirmar que o papel das plantas em SACs precisa ser

melhor entendido (Brix, 1997; Mara, 2004).

Objetivou-se, com a realização deste trabalho, avaliar a influência do

tempo de retenção hidráulica e das espécies cultivadas em SACs de escoamento

vertical na remoção de poluentes da água residuária da suinocultura.

2. MATERIAL E MÉTODOS

Conduziu-se o experimento em casa de vegetação, localizada na área

experimental do Centro de Referência em Estudos Hídricos do DEA/UFV

(Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa),

situada na cidade de Viçosa, Minas Gerais (latitude 20°45’14” S, longitude

42°52’53” W, altitude média de 650 m e clima Cwa, segundo a classificação de

Köeppen).

Aplicou-se a ARS em recipientes metálicos, cilíndricos, cada um com

dimensões aproximadas de 30 cm de altura, sendo 25 cm preenchidos com brita

“zero” (diâmetro D

= 7,0 mm, coeficiente de uniformidade D

de 1,6 e

volume de vazios de 0,491 m

-3

) e 60 cm de diâmetro, que foram utilizados

como SACs verticais.

Três espécies vegetais foram utilizadas: (i) Heliconia rostrata, conhecida

como helicônia ou bananeira-do-brejo, planta ornamental, de clima tropical,

escolhida na tentativa de ser uma planta economicamente viável, com a venda de

suas flores; (ii) Hedychium coronarium, conhecida popularmente como lírio-do-

brejo, jacinto, cananéia ou mariazinha, escolhida com base na possibilidade de

uma melhor estética paisagística; e (iii) Cyperus sp., denominada tiriricão,

escolhida por ser uma planta com aparente robustez e que há em abundância em

regiões inundadas.

O experimento foi constituído de quatro tratamentos, com três repetições

cada, sendo eles: HEL – SACs cultivados com Heliconia rostrata, LIR – SACs

cultivados com Hedychium coronarium, TIR – SACs cultivados com Cyperus sp.

e BRI – SACs não cultivados (testemunhas). Quatro tempos de retenção

hidráulica (TRH) foram utilizados para os SACs, sendo eles de 24, 48, 72 e 96

horas, os TRH correspondem ao tempo desde a abertura do registro até o

esvaziamento do SAC, com as respectivas taxas de aplicação hidráulica (TAH)

63,7; 31,8; 21,2 e 15,9 mm d

-1

, o TRH foi controlado através da vazão efluente

por meio de aferição manual (uso de cronômetro e proveta). A carga orgânica por

unidade de área (L

) aplicada foi de 20 g m

-2

-1

de DQO (Winter e Goetz, 2003).

O arranjo experimental utilizado foi o de parcelas subdivididas, onde a parcela

representou a espécie vegetal cultivada e a subparcela, o TRH.

Coletou-se, de zonas úmidas naturais de Viçosa-MG, e transplantou-se

para os SACs, 3 mudas de plantas, que foram cultivadas em solução Hoagland

50%, para ambientação. Após o período de ambientação (90 dias), sucederam-se,

as aplicações de ARS por 16 dias consecutivos, escalonando o TRH de 24 em 24

horas até chegar ao de 96 h e retornando, no mesmo escalonamento, ao de 24 h,

visando a diminuição no erro experimental dos extremos.

Em cada SAC, aplicaram-se 18 dm

de ARS; após o preenchimento do

SAC com a ARS abriam-se os registros e a ARS era drenada para recipientes de

coleta.

Na Figura 1.1 está apresentado, uma visualização em corte, de um SAC

vegetado.

Figura 1.1. Visualização em corte de uma das células de SAC.

A ARS foi coletada na entrada do sistema de armazenamento de ARS da

UFV, localizada próximo à Área Experimental de Hidráulica, Irrigação e

Drenagem da UFV e era constituída principalmente de urina e água de lavagem

das baias de criação da suinocultura.

As concentrações afluentes e efluentes (brutas) das variáveis demanda

química de oxigênio (DQO), nitrogênio total Kjeldahl (NTK), nitrogênio

amoniacal (N

amon

), nitrato (N-NO

), fósforo total (P

), turbidez, potencial

hidrogeniônico (pH), potencial de oxi-redução (Eh) e condutividade elétrica (CE)

foram determinadas nas amostras a fim de se analisar o comportamento destas em

cada tempo de retenção e em cada tratamento.

Para poder obter o valor real de redução mássica (com base na massa de

poluente removida) nas variáveis analisadas, em cada ciclo de tratamento, era

também registrado a evapotranspiração (volume inicial aplicado menos o volume

final coletado) em cada SAC, fazendo-se a compensação da concentração no

efluente coletado, em todos os SACs, em relação ao volume inicial.

Recolheu-se, também, amostras do material usado como meio suporte

(brita “zero”) para análise respirométrica (análise do consumo de oxigênio pelos

micro-organismos) pela método de Anderson (1982), que permite estimar a

atividade biológica, inferindo sobre a presença ou não de micro-organismos

aeróbios. Quantificou-se a taxa de respiração microbiana do meio suporte, por

meio da quantidade de CO

evoluído, o qual foi capturado em frascos contendo

100 mL de NaOH (0,25 mol L

-1

), em sistema contínuo de fluxo de ar (isento de

e umidade, por meio passagem do ar em frascos contendo NaOH 4 mol L

-1

Após determinado período de incubação, procedeu-se então à titulação indireta do

hidróxido de sódio com HCl (0,25 mol L

-1

); o excesso de NaOH que não reagiu

com o CO

evoluído foi quantificado.

Todas as análises dos afluentes e efluentes foram determinadas no

Laboratório de Qualidade da Água do DEA/UFV, conforme preconizado no

Standard Methods for the Examination Water and Wastewater (APHA et al.,

2005). Os métodos utilizados para determinação das variáveis estão apresentados

na Tabela 1.1.

Tabela 1.1. Métodos utilizados na determinação das variáveis

Variável Método/Aparelho

Demanda Química de Oxigênio Oxidação química em refluxo aberto

Nitrogênio total Kjeldahl Processo semimicro Kjeldahl

Nitrogênio amoniacal Processo semimicro Kjeldahl

Nitrato Espectrofotometria

Fósforo total Espectrofotometria

Potássio Fotometria de chama

Sódio Fotometria de chama

Turbidez Turbidímetro

Potencial hidrogeniônico Peagâmetro

Potencial de oxi-redução Potenciômetro

Condutividade elétrica Condutivímetro

As análises respirométricas, foram conduzidas no Laboratório de

Herbicida no Solo do Departamento de Fitotecnia da UFV.

Amostras da parte aérea e da parte inferior (rizomas e raízes) das plantas

foram secas em estufa com recirculação de ar, sob temperatura de 65 °C por 72

horas e posterior trituração em moinho tipo Wiley, de acordo com as

recomendações de Silva (2009), para análises nutricionais. Tais diagnósticos

foram realizados no Laboratório de Solos e Resíduos Sólidos do DEA/UFV.

Com base na análise nutricional da planta, realizou-se o cálculo da taxa de

absorção de nutrientes pela mesma, sendo que a absorção é a concentração do

nutriente multiplicada pela produção de massa da parte em questão a ser analisada

(aérea ou inferior), e esta absorção dividida pela área, resulta na taxa de absorção

de nutrientes.

Os resultados obtidos foram analisados por meio de Análise de Variância

(ANOVA), complementando com teste de comparação de médias de Tukey. Os

resultados estatísticos foram discutidos a 1% (P < 0,01) de nível de significância

para analisar as diferenças entre médias em nível mais restrito. As análises

estatísticas foram realizadas utilizando-se o software estatístico WinStat 2.11

(Machado e Conceição, 2001) .

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Caracterização da Água Residuária da Suinocultura

A água residuária gerada pela suinocultura da UFV, sob manejo seco, é

constituída principalmente por urina e água de lavagem com restos de raspagem

da parte sólida. Com base nos valores de DQO obtidos para a ARS bruta, a

mesma foi diluída para atender o preestabelecido no item “material e métodos”.

Observou-se não haver uma homogeneidade nos valores, devido, provavelmente,

ao sistema de manejo que ora apresentava elevada quantidade de matéria orgânica

e ora apresentava o inverso.

Para verificar a caracterização da ARS aplicada e as taxas de aplicação,

das variáveis analisadas, resultantes das diluições apresenta-se nas Tabelas 1.2 e

1.3 a caracterização da ARS aplicada nos SACs conformes os TRHs e os valores

das taxas de aplicação superficiais das variáveis analisadas no experimento,

respectivamente.

Tabela 1.2. Caracterização da água residuária de suinocultura (ARS) diluída que

fora aplicada nos respectivos tempos de retenção hidráulica (TRHs). (Valores

médios)

Variáveis*

TRHs

24 h 48 h 72 h 96 h

DQO (g m

) 311,2 623,6 935,5 1245,3

NTK (g m

) 140,2 241,2 303,1 376,4

amon

(g m

) 120,6 225,8 270,6 317,0

N-NO

(g m

) 0,2 0,3 0,4 0,6

(g m

) 18,4 24,6 29,6 38,4

K (g m

) 36,0 70,0 100,0 150,0

Na (g m

) 55,0 70,0 84,0 100,0

Turbidez (UNT) 28,9 35,8 46,6 54,1

pH 8,0 7,9 8,1 8,0

Eh (mV) -101,0 -92,0 -110,0 -115,0

CE (µS cm

) 1786,0 2000,5 2371,5 3108,0

* Os valores são referentes às amostras já diluídas para a taxa de aplicação de DQO de 20 g m

-2

-1

Tabela 1.3. Taxas médias de aplicações superficiais (g m

-2

-1

) da água residuária

de suinocultura (ARS) conforme os respectivos tempos de retenção hidráulica

(TRHs).

Variáveis / TRH

(g m

)

24 h 48 h 72 h 96 h

DQO 19,8 19,8 19,9 19,8

NTK 8,9 7,7 6,4 6,0

amon

7,7 7,2 5,7 5,0

N-NO

12,7 x 10

-3

9,5 x 10

-3

8,5 x 10

-3

9,5 x 10

-3

1,2 0,8 0,6 0,6

K 2,3 2,2 2,1 2,4

Na 3,5 2,2 1,8 1,6

3.2. Influência das espécies vegetais na eficiência de remoção de poluentes da

ARS

Os resultados obtidos no experimento e a análise estatística demonstraram

que o SAC cultivado com Cyperus sp. apresentou, em geral, a maior redução na

concentração de NTK (43,4%), N

amon

(44,5%), P

(54,5%) e K (31,1%), nas

concentrações efluentes dos SACs, em relação aos outros tratamentos. O maior

consumo de alcalinidade (redução de 28,0%) também foi observado no SAC

cultivado com Cyperus sp.. Em relação à variável DQO, notou-se que não houve

diferença estatística entre os tratamentos, conforme apresentado na Tabela 1.4.

Tabela 1.4. Valores médios de remoção de DQO (Demanda Química de

Oxigênio), NTK (Nitrogênio Total Kjeldahl), N

amon

(Nitrogênio Amoniacal), P

(Fósforo), K (Potássio) e AT (Alcalinidade Total) nos SACs em função do

tratamento

Espécies

Redução (%)

DQO* NTK* N

mon

* P

* K* AT*

Cyperus 59,6 a 43,4 a 44,5 a 54,5 a 31,1 a

28,0 a

Hedychium 59,0 a 34,1 b 34,5 bc 44,3 b 22,7 c

25,2 ab

Heliconia 57,2 a 33,8 b 36,9 b 37,6 c 21,4 c

25,4 ab

Controle 58,2 a 27,9 c 28,5 c 48,5 ab

27,6 b

23,6 b

Médias seguidas das mesmas letras nas colunas não diferem entre si, pelo teste de Tukey. *1% de

probabilidade.

Notou-se que não houve diferença significativa na remoção de DQO em

função dos tratamentos cultivados e não cultivado, conforme evidenciado nos

resultados das análises estatísticas. Tal observação também foi feita por Mazzola

et al. (2005), que utilizaram SACs de escoamento vertical não cultivados e

cultivados com Typha spp. e Eleocharis spp. ao tratarem o efluente de um reator

anaeróbio compartimentado.

No México, foram realizados testes comparando SACs sob diferentes tipos

de escoamento (Zurita et al., 2009). Estudaram-se plantas ornamentais

(Zantedeschia aethiopica, Strelitzia reginae, Anthurium andreanum e Agapanthus

africanus) nos SACs, tratando esgoto doméstico, sob L

média de 9,9 g m

-2

-1

DQO, 1,2 g m

-2

-1

de NTK e 0,3 g m

-2

-1

de P

, os pesquisadores observaram

remoções de 83,3 e 77,1% de DQO, 50,5 e 51,7% de NTK, 50,6 e 35,8% de P

respectivamente, no SAC de escoamento vertical e no SAC de escoamento

horizontal.

Mas a principal observação relatada pelos autores supracitados foi a

diferença significativa nas concentrações de oxigênio dissolvido (OD) nos

efluentes. Nos SACs de escoamento vertical, registraram-se valores superiores a

2,0 g m

-3

de OD nos efluentes, enquanto nos sistemas de escoamento horizontal,

as concentrações permaneceram próximas a zero (mesmo valor do afluente

aplicado).

Yalcuk e Ugurlu (2009) ao utilizarem SACs de escoamento vertical

cultivados com Typha latifolia, com uma camada de areia além da camada de

brita, tratando lixiviado de aterro sanitário, sob uma TAH de 0,02 m

-2

-1

uma L

de 2,4 g m

-2

-1

de N

amon

obtiveram remoção média de 48,9% de N

amon

valor este próximo ao encontrado no presente trabalho em SAC cultivado com

Cyperus sp. (44,5%) e superior aos demais tratamentos.

Os autores citados acima observaram, também, remoção média de 30,6%

na DQO, sob L

de 4,2 g m

-2

-1

de DQO, sendo este valor inferior a todos os

observados neste trabalho. Um dos motivos para que este valor seja menor pode

estar associado ao fato de que a relação DBO

/DQO do lixiviado de aterro é muito

reduzida, ou seja, a maior parte dos compostos orgânicos é de biodegradabilidade

muito lenta.

Maiores remoções foram observadas por Ouattara et al. (2009), em SACs

de escoamento vertical, tratando esgoto doméstico, sob valores de L

médias de

20,5 g m

-2

-1

de DQO e 2,1 g m

-2

-1

de N

amon

. Os autores reportam remoções de

DQO equivalentes a 91,4 e 72,2%, para SACs cultivados com Panicum maximum

e não cultivados, respectivamente. Em relação ao nitrogênio amoniacal, a remoção

observada nos SACs cultivados foi de 86,5%, superior ao do sistema controle,

equivalente a 65,9%.

Matos et al. (2009b) estudaram SACs de escoamento horizontal cultivados

com Typha latifolia, Alternanthera philoxeroides e Cynodon dactylon, tratando

ARS. Os sistemas operavam sob L

médias de 2,2 g m

-2

-1

de P

e 9,3 g m

-2

-1

de NTK. Quando comparados os dados obtidos no presente trabalho, verifica-se

que o SAC vertical cultivado com Cyperus sp. apresentou remoção de fósforo de

54,5%, valor superior ao relatado pelos autores citados (50,7%). Por outro lado, a

remoção de NTK reportada pelos mesmos autores, equivalente a 58,7%; foi maior

do que a verificada no presente estudo (43,4%). Entende-se que as remoções de

nutrientes estejam ligadas principalmente com a absorção de nutrientes das

plantas, podendo a remoção de nutrientes variar, então, com a necessidade

nutricional das plantas.

O valor médio de elevação da concentração de nitrato no tratamento com o

Cyperus sp. foi de 318,1%, seguido do Hedychium coronarium, do controle e da

Heliconia rostrata, respectivamente, 220,6, 198,5 e 191,6%. Mesmo com o

aumento na concentração de nitrato em todos os tratamentos, não se observou

diferença estatisticamente significativa entre os mesmos. Em vista dos valores

afluentes tão reduzidos de nitrato (quase nulos), mínimos valores observados no

efluente resultam, aparentemente, em consideráveis elevações da concentração de

nitrato.

O aumento na concentração de nitrato pode estar associado ao processo de

nitrificação, devido ao fato de que os SACs de escoamento vertical oferecem

melhores condições de oxigenação para a água residuária, atrelado ao fato de a

aplicação ser intermitente, onde há um maior fornecimento de oxigênio no

material filtrante, pois quando há o lançamento de água residuária, o oxigênio

contido na massa do leito, se mantém, somando com a nova quantidade de

oxigênio que sofre arraste pela nova aplicação (Kadlec e Wallace, 2009).

O SAC cultivado com Cyperus sp. foi o que mais removeu nitrogênio

amoniacal, tendo, ao mesmo tempo uma maior nitrificação, apresentando relação

direta entre os fenômenos. No entanto, a relação citada por Mazzola et al. (2005),

de 1 g m

-3

de N-NO

gerado para cada 5 g m

-3

de N

amon

consumidos, não foi

observada. Um fator que está envolvido no sistema e pode afetar diretamente essa

relação é o consumo de nitrogênio pelas plantas, pois estas absorvem o nitrogênio

que necessitam, preferencialmente nas formas de nitrato e de amônio (o nitrogênio

amoniacal é, em função do pH do meio, praticamente todo NH

). No caso dos

SACs não cultivados, em que não há a interferência da planta no meio, deve-se

relevar a questão de que as concentrações de oxigênio dissolvido e de alcalinidade

possam ser fatores limitantes a esta relação. Outro fator importante, citado por

Kadlec e Wallace (2009) é que os micro-organismos facultativos (presentes nos

SACs) em condições anaeróbias e pH do meio superior a 7,0, na falta de O

meio podem utilizar o NO

e o NO

como aceptores de elétrons substitutos,

liberando no meio OH

, o que pode explicar, em parte, a elevação do pH nos

SACs utilizados neste experimento.

Mazzola et al. (2005) estudando SACs de escoamento vertical

encontraram valores inferiores de remoção de nitrogênio amoniacal (1,5-14,2%)

ao comparar com os observados neste experimento (28,5-44,5%).

A disponibilidade de alcalinidade também é um fator que influencia o

processo de nitrificação, conforme citado pela USEPA (1993) e exemplificado por

Kadlec e Wallace (2009), para cada 1 mg de nitrogênio amoniacal nitrificado,

aproximadamente 7,1 mg de alcalinidade (expressa sob a forma CaCO

) serão

consumidos, no entanto, não verificou-se correlação direta entre estas variáveis

para todos os tratamentos, exceto no tratamento com Cyperus sp., onde essa

correlação foi verificada, havendo maior remoção de nitrogênio amoniacal e

maior consumo de alcalinidade, o que acredita-se ter possibilitado maior

nitrificação no meio. Nos demais tratamentos, onde não se verificou a mesma

correlação, pode-se inferir que houve oxigenação inferior à proporcionada no

tratamento com Cyperus sp., podendo-se atribuir a maior redução nas

concentrações de nitrogênio amoniacal, comparativamente ao controle, a absorção

pelas plantas.

Em relação ao potássio da ARS, observou-se que a maior remoção média

foi obtida no SAC cultivado com Cyperus sp. (31,1%), seguido do SAC não

cultivado (27,6%) e as menores reduções foram nos SACs cultivados com

Hedychium coronarium (22,7%) e Heliconia rostrata (21,4%). Novamente, o

SAC cultivado com Cyperus sp. apresentou desempenho semelhante ao observado

em SACs horizontais (Matos et al.,2009b).

Ao analisar os dados de turbidez (comparação entre médias dos

tratamentos, teste Tukey, P < 0,01) notou-se que o tratamento com brita foi o que

proporcionou a maior remoção (35,6%), seguido juntamente pelo tratamento com

Hedychium coronarium e com a Heliconia rostrata (22,2 e 20,0%) e depois pelo

Cyperus sp. (-1,3%) que, ao invés de remover aumentou a turbidez. Acredita-se

que essa elevação de turbidez e também a menor remoção de turbidez dos demais

tratamentos esteja associada a liberação de exsudatos e detritos na rizosfera, pois,

segundo Kadlec e Wallace (2009), os exsudatos liberados pelas raízes, que servem

para ajudar a desintoxicar a rizosfera, são compostos orgânicos que podem

influenciar a turbidez do meio líquido.

Nas análises respirométricas, foram obtidos os valores de 34,8 µg g

-1

25,3 µg g

-1

[CO

produzido por massa de meio suporte inoculado] nos SACs

vegetados e não vegetados, respectivamente. Observa-se que os sistemas não

cultivados (controles) apresentaram menor taxa respirométrica.

A maior respiração nos SACs cultivados pode ser relacionada com os

sítios da região rizosférica, que proporcionam maior área para formação de

biofilmes bacterianos. Tal constatação (maior respiração nos SACs vegetados),

somada à observação de remoções significativamente (P < 0,01) superiores de

NTK, N

amon

e K, reforça a idéia da importância do cultivo de plantas em sistemas

alagados construídos no tratamento de águas residuárias.

3.3. Influência do tempo de retenção hidráulica na eficiência de remoção de

poluentes da ARS

Com base nas análises estatísticas em relação ao TRH (Tabela 1.5), pode-

se observar, analisando o conjunto, que o TRH de 72 h proporcionou a maior

remoção de matéria orgânica (DQO) e das demais variáveis, em geral. O TRH de

72 h só não apresentou a maior média de remoção para a variável P

do mesmo

modo apresentou-se estatisticamente igual ao tempo de 96 h para remoção de

DQO e de N

amon

, bem como ao tempo de 48 h para a remoção de N

amon

Tabela 1.5. Valores médios de remoção de DQO (Demanda Química de

Oxigênio), NTK (Nitrogênio Total Kjeldahl), N

amon

(Nitrogênio Amoniacal), P

(Fósforo), K (Potássio) e AT (Alcalinidade Total) nos SACs, em função do TRH

TRH (h)

Redução (%)

DQO* NTK* N

mon

* P

* K* AT*

24 46,5 c 29,0 c 28,5 b 43,0 b 20,6 c 17,4 c

48 54,4 b 37,1 ab 40,0 a 46,5 ab 35,9 a 25,3 b

72 67,2 a 38,3 a 37,9 a 44,6 b 36,7 a 29,9 a

96 65,7 a 34,8 b 38,0 a 50,9 a 27,7 b 29,4 a

Médias seguidas das mesmas letras nas colunas não diferem entre si pelo teste de Tukey. *1% de

probabilidade.

A análise de influência do fator tempo apresentou diferenças significativas

em todas as variáveis. As remoções médias de DQO dos SACs submetidos aos

TRHs de 72 e 96 h (67,2 e 65,7%) foram superiores às obtidas com TRH de 48 h

(54,4%) e esta foi superior à obtida com o TRH de 24 h (46,5%).

Em outro trabalho utilizando as espécies Typha spp. e Eleocharis spp. e

trabalhando com tempos de reação estacionários, ou seja, no qual todo o volume

de água residuária permanecia estático no sistema por um período estipulado para

reação, Mazzola et al. (2005) observaram um comportamento parecido ao

encontrado neste trabalho. Os tempos de reação de 96 e 72 h proporcionaram, em

média, remoções de 73,5 e 70,5% de DQO e foram superiores aos tempos de 48 e

24 h (29,1 e 26,0% de remoção de DQO).

Freitas (2006) aplicando ARS com uma L

de 59,1 g m

-2

-1

de DQO, em

SACs de escoamento horizontal, cultivado com Typha latifolia, Alternanthera

philoxeroides e Cynodon dactylon, sob TRH de 115,2 h observou remoção na

ordem de 89,2% de DQO, remoção esta maior que a encontrada nos SACs

verticais testados neste experimento. Infere-se que esta maior remoção possa estar

ligada ao maior TRH e a maior taxa de aplicação, pois segundo Kadlec e Wallace

(2009) as taxas de degradação da matéria orgânica são proporcionais às taxas de

aplicação, com ressalvas ao tipo e concentração de água residuária, as relações

DQO:DBO:nutrientes, temperatura, microbiota etc.

No que se refere à concentração de NTK, observou-se que nos SACs

operados sob o TRH de 72 h a remoção foi de 38,3%, não diferindo da obtida no

de 48 h (37,1%). Tais remoções são superiores às obtidas nos SACs operados sob

96 h e 24 h, equivalentes a 34,8 e 29,0%, respectivamente.

Para a variável nitrogênio amoniacal, observou-se que sob um TRH de 24

h, a remoção observada foi estatisticamente inferior a observada nos demais

SACs.

Ao analisar a influência do fator TRH sobre a nitrificação, notou-se que

ela foi inversamente proporcional ao TRH, sendo que quanto menor o TRH maior

a nitrificação ocorrida, obtendo-se um aumento de nitrato de 34,5, 76,0, 104,3 e

714,0% para os TRHs de 96, 72, 48 e 24 horas, respectivamente.

Infere-se que o arraste e a mistura da massa de água com o oxigênio do

meio sob os menores TRHs são mais elevados devido à maior mobilidade e

velocidade de esvaziamento da água, oxigenando mais o meio e auxiliando na

nitrificação.

Verificou-se também que o maior consumo de alcalinidade se deu nos

SACs submetidos aos TRHs de 72 e 96 h, nos quais foram obtidas as reduções de

29,9 e 29,4% na

alcalinidade, seguido dos TRHs de 48 e 24 h (25,5 e 17,4% de

redução de alcalinidade). Ao contrário do fator espécie vegetal, não se verificou

relação direta entre o consumo de alcalinidade e a nitrificação dentro do fator

TRH.

As maiores remoções médias de fósforo total foram obtidas nos

tratamentos com SACs submetidos a tempos 96 e 48 h, respectivamente 50,9 e

46,5%, e não diferindo estatisticamente das obtidas no TRH de 48 h, seguida pelas

obtidas nos TRHs de 72 e 24 h, com os quais foram obtidas, respectivamente,

remoções de 44,6 e 43,0%.

A maior redução na turbidez ocorreu nos SACs submetidos aos TRHs de

24 e 96 h, tendo sido obtidas reduções de 35,6 e 28,2 %, e as menores ocorreram

nos SACs submetidos aos TRHs de 72 e 48 h (10,3 e 2,4%).

Os TRHs de 72 e 48 h, não diferindo entre si, foram os que

proporcionaram as maiores remoções de potássio, respectivamente 36,7 e 35,9%,

nos demais TRHs foram obtidas remoções inferiores, ou seja, 20,6 e 9,6%

respectivamente nos TRHs de 24 e 96 h.

De modo geral, dos TRHs que foram utilizados nos SACs, o TRH que

obteve as melhores eficiências de remoção, foi o de 72 h podendo-se averiguar na

Tabela 1.5 que o mesmo predomina com as maiores eficiências de remoção das

variáveis.

3.4. Análise morfológicas das espécies vegetais

Após o período de adaptação e o período experimental (106 dias),

observou-se que o Cyperus sp. apresentou bom desenvolvimento, promovendo a

maior produção de massa, de números de brotos, maior altura de planta e maior

comprimento de folha. A maior remoção mássica de nutrientes observada nos

SACs cultivados com Cyperus sp., em relação aos demais, pode estar atrelada aos

fatores citados.

Na Figura 1.3 estão apresentadas as espécies que foram utilizadas neste

trabalho, após o término do experimento.

Figura 1.3. A – Cyperus sp., B – Heliconia rostrata, C – Hedychium

coronarium.

Conforme se pode verificar na Tabela 1.7, o Cyperus sp. foi, dentre as

espécies cultivadas nos SACs, a que obteve maior produtividade e a maior

absorção de nutrientes (Figuras 1.4 e 1.5), sendo a produtividade total (parte aérea

+ inferior) do Cyperus sp. de 2,6 kg m

-2

e a absorção de nutrientes total do mesmo

de 49,4 g m

-2

de N, 4,4 g m

-2

de P, 23,7 g m

-2

de K e 8,6 g m

-2

de Na.

As absorções de nutrientes das plantas, utilizadas neste experimento,

inclusive do Cyperus sp. (21,1 g m

-2

de N, 1,4 g m

-2

de P, 15,9 g m

-2

de K e 1,3 g

-2

de Na) foram inferiores às reportadas por Matos et al. (2009a), que

trabalharam com ARS em SACs de escoamento horizontal, considerando-se

apenas a parte aérea das plantas, tendo obtido absorção média de 53,3 g m

-2

de N,

8,8 g m

-2

de P, 60,5 g m

-2

de K e 8,5 g m

-2

de Na com a Typha latifolia; 106,8 g

-2

de N, 13,7 g m

-2

de P, 116,6 g m

-2

de K e 10,3 g m

-2

de Na com a

Alternanthera philoxeroides e 68,1 g m

-2

de N, 10,7 g m

-2

de P, 59,1 g m

-2

de K e

0,8 g m

-2

de Na com o Cynodon dactylon.

Tabela 1.7. Produtividade média de matéria seca (PMS) do Cyperus sp., da

Heliconia rostrata e do Hedychium coronarium na parte aérea, na parte inferior e

total.

Espécies / PMS (kg m

)

Aérea Inferior Total

Cyperus sp. 0,8 1,8 2,6

Heliconia 0,4 0,4 0,8

Hedychium 0,6 0,3 0,9

Nutrientes

N P K Na

Absorção de nutrientes (g m

-2

)

Cyperus sp.

Heliconia rostrata

Hedychium coronarium

Figura 1.4. Absorção de nutrientes das espécies cultivadas nos SACs – parte

aérea.

Nutrientes

N P K Na

Absorção de nutrientes (g m

-2

)

Cyperus sp.

Heliconia rostrata

Hedychium coronarium

Figura 1.5. Absorção de nutrientes das espécies cultivadas nos SACs – parte

inferior.

3.5. Carga mássica e aplicabilidade

Verifica-se a importância de se computar a carga mássica para analisar a

eficiência de remoção em SACs. Quando se verificou a média dos SACs

cultivados, a remoção de NTK foi 1,3 vez superior à média obtida nos SACs não

cultivado, enquanto que se a mesma fosse analisada sem computar a remoção

mássica, teria sido obtido um valor 1,2 vez maior.

Em questões relacionadas à custos e economia sobre o sistema, Jasper et

al. (2008) chegaram a conclusão que em granjas suinícolas de manejo do dejeto

na forma seca, ou seja, em que há a raspagem da parte sólida dos dejetos antes da

lavagem da granja, tal qual a granja onde foi coletada a água residuária para a

realização deste experimento, os SACs demandam menores áreas para o

tratamento, além dos menores custos anuais de implantação, explicitando deste

modo a viabilidade e a aplicabilidade dos SACs.

Pode-se observar na literatura, em artigos e em teses que, cada vez mais,

esses sistemas vêm ganhando espaço, ampliando-se o conhecimento acerca dos

mesmos, estudando-se suas variações, seus pormenores, suas diferentes

configurações e suas interações microbiológicas, sistemas esses em escala piloto

ou até mesmo em escala plena. Sua aplicabilidade é ampla, podendo ser utilizado

no esgotamento urbano, na zona rural, em atividades agroindustriais, mineração,

resíduos de explosivos etc.

4. CONCLUSÕES

• A influência das plantas sobre os SACs foi positiva, aumentando a eficiência

de remoção, principalmente de nitrogênio, fósforo e potássio.

• Em geral, quanto maior o tempo de retenção hidráulica (TRH) imposto nos

SACs maiores foram as remoções obtidas.

• A remoção mássica média de NTK nos SACs cultivados foi 33% superior à

obtida nos SACs não cultivados.

• A melhor espécie cultivada nos SACs foi o Cyperus sp. e o melhor tempo

para se operar foi TRH de 72 h, obtendo remoções mássicas de 69,1% para

DQO, 56,5% para NTK, 64,3% para fósforo total e 55,0% para potássio.

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CAPÍTULO 2

AVALIAÇÃO DE SISTEMAS ALAGADOS CONSTRUÍDOS DE

ESCOAMENTO VERTICAL TRATANDO ÁGUA RESIDUÁRIA DE

SUINOCULTURA

RESUMO

Objetivou-se, com este estudo, analisar, em sistemas alagados construídos

(SACs), a contribuição do Cyperus sp. na remoção mássica de poluentes contidos

nas águas residuárias de atividade suinícola (ARS). Monitorou-se, durante 90

dias, em casa de vegetação, SACs em escala piloto, localizados na área

experimental do CRRH/DEA/UFV, em Viçosa, MG, sendo as seguintes variáveis

estudadas: demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de

oxigênio (DBO), nitrogênio total Kjeldahl (NTK), nitrato (N-NO

), fósforo total

), sólidos totais (ST), sólidos suspensos (SST), sólidos dissolvidos (SDT),

alcalinidade total (AT), turbidez, condutividade elétrica (CE), potencial de oxi-

redução (Eh) e potencial hidrogeniônico (pH). Os dois SACs de escoamento

vertical, foram operados em paralelo, com um tempo de retenção hidráulica

(TRH) equivalente a 72 h. Um SAC foi cultivado com Cyperus sp., enquanto um

sistema controle foi mantido sem vegetação. As diferenças significativas

observadas, quando comparados os sistemas, foram para as variáveis NTK (teste t,

P < 0,001), P

(teste Mann-Whitney, P = 0,056), AT (teste t, P = 0,002) e CE

(teste Mann-Whitney, P = 0,031), com as respectivas remoções médias nos SACs,

cultivado e não cultivado, de 37,5 e 28,5%, 55,9 e 44,4%, 30,2 e 25,6% e 26,1 e

22,9%. Não foram verificadas diferenças estatísticas no desempenho dos SACs

em relação às demais variáveis estudadas. O Cyperus sp. apresentou

produtividade, em termos de matéria seca, de 674,5 g m

-2

, ou seja, 7,5 g m

-2

-1

com absorção de nutrientes de 21,8; 2,1; 14,0 e 0,9 g m

-2

de N, P, K e Na,

respectivamente. A evapotranspiração (2,7 mm d

-1

) foi estatisticamente superior

(teste Mann-Withney, P < 0,001) no SAC cultivado e teve papel fundamental na

contabilização da remoção mássica das variáveis analisadas. O cultivo de plantas

em SACs mostrou-se importante para que se possa obter maiores remoções de

nutrientes da ARS.

PALAVRAS-CHAVE: efluentes agroindustriais, alagados construídos,

macrófitas, nutrientes

EVALUATION OF VERTICAL-FLOW CONSTRUCTED WETLANDS IN

SWINE WASTEWATER TREATMENT

ABSTRACT

This work aimed at evaluating, in constructed wetlands (CWs), the

Cyperus sp. contribution to mass removal of pollutants in swine wastewater. Pilot

scale CWs were monitored for 90 days in a greenhouse, located in the

experimental area CRRH/DEA/UFV, Viçosa, MG, Brazil, by measuring the

following parameters: pH, electrical conductivity, redox potential, turbidity,

alkalinity, COD, BOD, TKN, N-NO

, TP, and solids. Two vertical-flow CWs

were operated, one planted with Cyperus sp. and the other unplanted, with 72

hours hydraulic retention time (HRT). There was no statistical difference in

removal efficiency between planted and unplanted CWs, for almost all variables,

the only significant differences were observed for the variables TKN (t test, P <

0.001), TP (Mann-Whitney test, P = 0.056), alkalinity (test t, P = 0.002) and EC

(Mann-Whitney test, P = 0.031), with average removals of 37.5 and 28.5%, 55.9

and 44.4%, 30.2 and 25.6 and 26.1% and 22.9% for planted and unplanted CWS,

respectively. The Cyperus sp. presented a dry matter productivity of 674.5 g m

-2

with a dry matter yield of 7.5 g m

-2

-1

, and the nutrient uptake was 21.8; 2.1; 14.0

and 0.9 g m

-2

of N, P, K and Na, respectively. Evapotranspiration (2.7 mm d

-1

)

was statistically higher (Mann-Whitney test, P < 0.001) in the planted CW, and

was fundamental in accounting for the removal of mass of all variables. The

plants in the CWs are important to achieve a higher removal of nutrients.

KEYWORDS: agroindustry effluents, constructed wetlands, macrophytes,

nutrients

1. INTRODUÇÃO

O uso de sistemas alagados construídos (SACs) para o tratamento de águas

residuárias é potencialmente uma boa solução para tratar efluentes domésticos,

industriais e agrícolas, principalmente em países de clima tropical. Os SACs se

baseiam em processos naturais que utilizam o sistema planta/meio suporte/micro-

organismos e apresentam ótima relação custo-eficiência e boa estabilidade

operacional. Devido à sua facilidade de construção e operação se configuram em

uma ótima opção para países em desenvolvimento.

Com boa eficiência na remoção de matéria orgânica (DQO e DBO),

sólidos, matéria orgânica e nutrientes (Brasil et al., 2005; Fia et al., 2008;

Konnerup et al., 2009), verifica-se como uma das potenciais utilizações desse

sistema, o tratamento de águas residuárias nas zonas rurais, tanto para o esgoto

doméstico quanto para as águas residuárias geradas na lavagem de baias,

abatedouros, agroindústrias e confinações de animais, que são atualmente,

despejadas diretamente em corpos hídricos ou no solo.

A aplicabilidade de SACs de escoamento horizontal tem sido relatada com

frequência em estudos realizados em países de clima temperado (Vymazal e

Kröpfelová, 2005; Langergraber, 2007; Nivala et al., 2007) e também em países

de clima tropical (Brasil et al., 2005; Fia et al., 2008; Matos et al., 2008;

Konnerup et al., 2009; Matos et al., 2009a). Recentemente, iniciativas de

pesquisas contemplando os sistemas de escoamento vertical também tem sido

registradas, tendo como objetivo principal a remoção de nitrogênio e de

complementação da remoção de matéria orgânica nos sistemas chamados híbridos

ou conjugados.

O interesse pelo estudo dos processos que ocorrem em SACs de

escoamento vertical pode ser considerado recente (Kantawanichkul et al., 2001;

Sezerino et al., 2003; Sun et al., 2003; Mazzola et al., 2005; Sun et al. 2005;

Wang et al., 2009). As investigações geralmente partem da premissa de que esse

tipo de sistema tenha maior capacidade de nitrificação, auxiliando, assim, o

processo de remoção de nitrogênio total, pelo processo nitrificação-desnitrificação

biológica (Ye e Li, 2009). Há de se ressaltar, no entanto, a observação feita por

Kadlec e Wallace (2009), que alertam para a possibilidade de reduzidas taxas de

desnitrificação, o que acarretaria em uma limitada remoção de nitrogênio total.

Dessa maneira, a influência da presença/ausência de plantas em SACs vem

sendo analisada a fim de verificar se a capacidade de aeração do sistema radicular

de algumas espécies de plantas pode contribuir, significativamente, para a

nitrificação da água residuária.

Diante do exposto, o estudo foi realizado com objetivos de se avaliar a

contribuição da planta na remoção de poluentes, com ênfase aos macronutrientes;

a absorção de nutrientes pelas plantas; verificar se a influência da

evapotranspiração nos sistemas cultivados é significativa na remoção mássica dos

nutrientes; e, com base nas análises citadas anteriormente, comparar o

desempenho de SACs cultivados e SACs não cultivados.

2. MATERIAL E MÉTODOS

Conduziu-se o experimento em casa de vegetação, localizada na área

experimental do Centro de Referência em Recursos Hídricos do Departamento de

Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, situada na cidade de

Viçosa, Minas Gerais (latitude 20°45’14” S, longitude 42°52’53” W, altitude

média de 650 m e clima Cwa, segundo a classificação de Köeppen).

Os SACs foram constituídos por recipientes metálicos, cilíndricos, cada

um com dimensões aproximadas de 30 cm de altura, sendo 25 cm preenchidos

com brita “zero” (diâmetro D

= 7,0 mm, coeficiente de uniformidade D

1,6 e volume de vazios de 0,491 m

-3

) e 60 cm de diâmetro, e foram utilizados

no tratamento de água residuária de suinocultura (ARS).

Dois tratamentos foram estudados ao longo do tempo: (i) SAC constituído

de Cyperus sp. (tiriricão) cultivado em brita “zero” e (ii) SAC não cultivado,

contendo apenas o substrato (brita “zero”).

O tempo de retenção hidráulica (TRH) utilizado na operação dos SACs foi

de 72 h, sendo que este TRH corresponde ao tempo desde a abertura do registro

de carregamento de ARS até o esvaziamento completo do SAC. O carregamento

orgânico superficial médio aplicado foi de 17 g m

-2

-1

de DQO, valor próximo

aos 20 g m

-2

-1

sugeridos preliminarmente nos estudos com esse tipo de sistema

(Winter e Goetz, 2003).

Os tratamentos foram baseados em experimento anteriormente realizado

(Capítulo 1) onde, analisando o efeito de espécies cultivadas e do TRH, concluiu-

se que o SAC cultivado com Cyperus sp. sob o TRH de 72 h foi o que apresentou

a melhor eficiência na remoção de nutrientes da ARS, quando comparado com

SACs cultivados com as espécies Heliconia rostrata, Hedychium coronarium,

além de uma testemunha (SAC sem plantas), sob os TRHs de 24, 48, 72 e 96

horas.

Lavou-se os SACs utilizados no experimento anterior, passando-se água de

abastecimento diversas vezes pelo sistema, continuamente, até que o efluente se

apresentasse claro e com aspecto límpido, efetuou-se o corte das plantas.

Posteriormente a aplicação de ARS foi iniciada. Para o controle do

desenvolvimento do Cyperus sp., em outro SAC que também foi submetido ao

tratamento supracitado, realizou-se o corte das plantas e neste apenas água de

abastecimento foi aplicada, simulando-se as condições ambientais do habitat de

onde o Cyperus sp. foi coletado.

Durante um período de experimentação de 90 dias (de agosto a novembro),

o seguinte procedimento foi realizado: os sistemas eram alimentados com 18 dm

de ARS e após o preenchimento dos SACs, abriam-se os registros de descarga.

Assim, a ARS era, então, drenada durante 72 h para recipientes de coleta, sendo

este, o tempo de retenção (TRH). Após a drenagem, era imediatamente aplicado

novo volume de ARS, sendo que os SACs constituíam-se, dessa maneira, de

sistemas de bateladas sucessivas, sem intervalos entre uma aplicação e outra.

A ARS foi coletada no tanque de armazenamento de ARS da UFV,

localizada próximo à Área Experimental de Hidráulica, Irrigação e Drenagem da

mesma universidade, sendo esta ARS constituída, preponderantemente, de urina e

água de lavagem das baias de criação da suinocultura.

As concentrações afluentes e efluentes (brutas) das variáveis demanda

química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), nitrogênio

total Kjeldahl (NTK), nitrato (N-NO

), fósforo total (PT), turbidez (TU),

potencial hidrogeniônico (pH), potencial de oxi-redução (E

), condutividade

elétrica (CE), alcalinidade total (AT) e sólidos, foram determinadas, a fim de se

analisar o comportamento dessas variáveis ao longo do tempo.

Para poder obter o valor real de redução mássica nas variáveis analisadas,

a cada ciclo era também registrado a evapotranspiração de cada SAC, fazendo-se

a compensação da concentração no efluente coletado, para o volume inicial.

Todas as análises foram realizadas nos laboratórios de Qualidade da Água

e de Química dos Resíduos do DEA/CCA/UFV, conforme preconizado no

Standard Methods for the Examination Water and Wastewater (APHA et al.,

2005). Os métodos utilizados para determinação das variáveis estão apresentados

na Tabela 2.1.

Tabela 2.1. Métodos utilizados na determinação das variáveis

Variável Método/Aparelho

Demanda Química de Oxigênio Oxidação química em refluxo aberto

Demanda Bioquímica de Oxigênio Incubação por 5 dias, a 20°C

Nitrogênio Total Kjeldahl Processo semimicro Kjeldahl

Nitrato Espectrofotometria

Fósforo total Espectrofotometria

Potássio Fotometria de chama

Turbidez Turbidímetro

Potencial Hidrogeniônico Peagâmetro

Potencial de Oxi-redução Potenciômetro

Condutividade Elétrica Condutivímetro

Alcalinidade Total Titrimétrico

Sólidos Gravimétrico

Para as análises nutricionais, as partes aérea e inferior (rizomas e raízes)

das plantas foram secas em estufa com recirculação de ar, sob temperatura de

65 °C, por 3 dias, e posterior trituração em moinho tipo Wiley, de acordo com as

recomendações de Silva (2009).

Com base na análise nutricional da planta, realizou-se o cálculo da taxa de

absorção de nutrientes pela mesma, sendo que a absorção é a concentração do

nutriente multiplicada pela produção de massa da parte em questão a ser analisada

(aérea ou inferior), e esta absorção dividida pela área, resulta na taxa de absorção

de nutrientes. Podendo-se obter a taxa de absorção de nutrientes diária, através da

divisão da taxa de absorção pelo número de dias de desenvolvimento da planta.

Para analisar a diferença entre as médias dos tratamentos (repetições

independentes), os resultados obtidos na experimentação realizada foram,

primeiramente, analisados por meio de análise de normalidade (teste de

Kolmogorov-Smirnov) e de homogeneidade de variância (teste de Levene). Nas

variáveis em que as médias apresentaram normalidade e homogeneidade aplicou-

se o teste t; já para as variáveis que não apresentaram normalidade e, ou,

homogeneidade, aplicou-se o teste não paramétrico de Mann-Whitney. As

análises estatísticas foram realizadas utilizando-se aplicativo estatístico SigmaPlot

11.0.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Eficiência dos SACs na remoção de poluentes da ARS

Os dados das análises da ARS aplicada e dos efluentes dos SACs, bem

como a eficiência na remoção dos poluentes da ARS podem ser visualizados na

Tabela 2.2.

Tabela 2.2. Concentração dos poluentes e eficiências de remoção no SAC com

brita e no SAC cultivado com Cyperus sp. (tiriricão). Média ± Erro Padrão.

ARS SAC BRI SAC TIR

ST (g m

)

1487,9 ± 43,1

1037,3 ± 18,8

994,0 ± 24,1

Remoção de ST (%)

30,0 ± 1,4

33,1 ± 0,7

SST (g m

)

329,6 ± 32,6

53,7 ± 7,7

55,2 ± 6,8

Remoção de SST (%)

81,6 ± 3,2

82,1 ± 3,0

SDT (g m

)

1158,3 ± 30,6

983,6 ± 21,7

938,8 ± 21,8

Remoção de SDT (%)

14,6 ± 2,6

18,7 ± 1,8

DQO (g m

)

799,5 ± 50,7

258,6 ± 15,4

247,1 ± 15,8

Remoção de DQO (%)

66,1 ± 1,7

67,7 ± 1,7

DBO (g m

)

163,0 ± 11,1

44,9 ± 10,1

48,6 ± 13,4

Remoção de DBO (%)

73,5 ± 4,1

72,3 ± 5,2

NTK (g m

)

395,2 ± 8,1

303,0 ± 7,4

283,1 ± 6,7

Remoção de NTK (%)

28,5 ± 1,4

37,5 ± 1,1

N-NO

(g m

)

0,7 ± 0,05

0,3 ± 0,02

Remoção de N-NO

(%)

50,4 ± 5,1

49,0 ± 6,3

(g m

)

62,6 ± 3,4

34,3 ± 3,4

26,7 ± 2,1

Remoção de P

(%)

44,4 ± 3,1

55,9 ± 4,6

AT (g m

)

1643,8 ± 27,6

1221,0 ± 22,1

1146,4 ± 22,8

Remoção de AT (%)

25,6 ± 1,0

30,2 ± 0,9

Turbidez (UNT)

68,4 ± 2,1

18,6 ± 1,1

19,8 ± 1,3

Remoção de Turbidez (%)

71,5 ± 2,5

69,4 ± 2,8

CE (µS cm

)

3543,6 ± 59,9

2725,7 ± 48,6

2611,4 ± 63,5

Remoção de CE (%)

22,9 ± 1,2

26,1 ± 1,6

***

Eh (mV)

-395,1 ± 10,3

-140,7 ± 7,9

-135,0 ± 8,0

7,5 ± 0,02

8,0 ± 0,02

Diferença estatística entre médias da mesma linha. (teste t, P < 0,01)

Diferença estatística entre médias da mesma linha. (teste t, P < 0,10)

***

Diferença estatística entre médias da mesma linha. (teste Mann-Whitney, P < 0,05)

27 amostragens,

10 amostragens,

9 amostragens,

8 amostragens

Conforme pode se observar, as variáveis em que as remoções foram

estatisticamente superiores no SAC cultivado foram o Nitrogênio Total Kjeldahl

(teste t, P < 0,001), a Alcalinidade Total (teste t, P = 0,002), a Condutividade

Elétrica (teste Mann-Whitney, P = 0,031) e o Fósforo Total (teste t, P = 0,056).

3.1.1. Sólidos

Sólidos Totais

Sob uma taxa de aplicação superficial (L

) de 31,6 g m

-2

-1

de ST, a

remoção máxima para ambos os sistemas foi de 36,0%,com remoções médias de

33,1 e 30,0% para o SAC cultivado e não cultivado, respectivamente. Oliveira et

al. (2007) em SACs de escoamento subsuperficial horizontal, cultivados com

Tangola (Brachiaria radicans x Brachiaria mutica), sob uma taxa de aplicação de

225,6 g m

-2

-1

de ST, obtiveram remoções de 22,9% na concentração de sólidos

totais e em SACs não cultivados de 13,0%. Matos et al. (2009b), tratando ARS

em SACs de escoamento subsuperficial horizontal, aplicando uma taxa de 68,8 g

-2

-1

de ST, observaram remoção média de 60,3% dos sólidos totais em SACs

cultivados com Cynodon dactylon, Alternanthera philoxeroides e Typha latifolia.

Sólidos Suspensos Totais

Com remoções médias observadas de 82,1 e 81,6% no SAC cultivado e

não cultivado, respectivamente, estes não diferiram entre si estatisticamente.

Observaram-se remoções máximas de 95,0% no SAC cultivado e de 93,8% no

SAC não cultivado, sob a L

média de 7,0 g m

-2

-1

de SST. Para o mesmo tipo de

água residuária, Kantawanichkul et al. (2001), sob L

de 37,5 g m

-2

-1

de SST,

observaram remoção de 97%, enquanto Sun et al. (2005), com uma L

de 186,5

g m

-2

-1

de SST, verificaram remoção média de 56,8%. Kadlec e Wallace (2009)

citam que os principais mecanismos de remoção de sólidos suspensos em SACs

são a interceptação e a sedimentação, correlacionando, assim, as menores

remoções observadas com as maiores granulometrias no meio suporte, pois estas

dispõem de menos obstáculos para interceptar os sólidos.

Brix e Arias (2005) tratando esgoto doméstico e águas cinzas em SACs

sob uma L

aproximada de 4,2 g m

-2

-1

de SST, verificaram uma remoção média

de 94% para sólidos suspensos em seu experimento, em SACs de escoamento

vertical em que se utilizou areia como meio suporte. Gross et al. (2007)

verificaram remoções de 98% de sólidos suspensos em experimento de SACs de

escoamento vertical com recirculação, tratando águas cinzas, sob uma L

de 26,2

g m

-2

-1

de SST, cultivados com Lactuca sativa, utilizando como meio suporte

camadas de solo orgânico, meio plástico de elevada superfície e seixos de

calcário.

Sólidos Dissolvidos Totais

Observaram-se remoções médias relativamente baixas tanto no SAC

cultivado, de 18,7%, como no não cultivado, de 14,6%, aplicando-se uma L

24,6 g m

-2

-1

de SDT. Matos et al. (2009b), tratando ARS em SACs de

escoamento subsuperficial horizontal, sob L

de 31,9 g m

-2

-1

de SDT,

observaram remoção média de sólidos dissolvidos de 48,0% para SACs cultivados

com Cynodon dactylon, 33,0% com Alternanthera philoxeroides, 21,0% com

Typha latifolia e 40,0% com SAC não cultivado. De modo contrário, Oliveira et

al. (2007), em SACs de escoamento subsuperficial horizontal, cultivados com

Tangola (Brachiaria radicans x Brachiaria mutica), tratando esgoto doméstico

efluente de UASB, sob uma L

de 128,4 g m

-2

-1

de SDT, observaram elevações

de até 19,5% na concentração de sólidos dissolvidos e em SACs não cultivados de

27,0%.

3.1.2. Matéria Orgânica

Demanda Química de Oxigênio

As maiores remoções de DQO observadas foram de 84,1% no SAC não

cultivado e de 83,6% no SAC cultivado e as menores remoções foram de 45,2 e

48,1% nos SACs não cultivado e cultivado, respectivamente, sendo a L

média de

17,0 g m

-2

-1

de DQO. Com remoções médias de 67,7 e 66,1% para a variável

DQO, respectivamente nos SACs cultivado e não cultivado, verificou-se não

haver diferença estatística entre elas. Valores similares foram verificados por

Zhao et al. (2009) cultivando Lythrum salicaria em SACs de escoamento vertical,

com remoção média de DQO de 63,6%, tratando esgoto doméstico, sob L

de 14,6

g m

-2

-1

de DQO.

Pode-se observar na Figura 2.1 que apenas no início do experimento os

valores de concentração de DQO na saída do sistema apresentaram um pico

próximo aos 600 g m

-3

e no restante do experimento houve estabilização na

concentração de saída do sistema, apresentando-se indiferente a concentração de

entrada. Ambos os tratamentos, controle e cultivado, apresentaram concentrações

efluentes semelhantes.

0 5 10 15 20 25 30

DQO (g m

-3

)

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Afluente (ARS)

SAC (Controle)

SAC (Cyperus sp.)

Aplicação (Ciclo)

Figura 2.1. DQO afluente e efluente dos SACs durante o experimento.

Prochaska et al. (2007) verificaram maiores remoções de DQO (97,8%)

nos SACs de escoamento vertical cultivados com Phragmites australis, testando

como meio suporte areia e areia/dolomita (10/1), sob L

de 25,9 g m

-2

-1

DQO, tratando esgoto sintético.

SACs de escoamento vertical tratando ARS (L

de 105,0 g m

-2

-1

DQO) cultivados com Cyperus ﬂabelliformis foram estudados por

Kantawanichkul et al. (2001), verificando remoções médias de DQO de 97,0%.

Atribui-se esta remoção superior com a altura de 0,8 m de meio suporte, bem

como o material utilizado (areia). Outro fator que pode ter contribuído para essa

maior remoção é o fato do sistema funcionar intermitentemente: 4 h com ARS e 4

h vazio, condicionando, assim, uma maior oxigenação no sistema.

Infere-se que a maior profundidade em SACs de escoamento vertical pode

levar a maiores remoções de matéria orgânica particulada. Já em relação ao

material usado como suporte, percebe-se que a filtração será mais efetiva, e

consequentemente uma maior remoção de matéria orgânica particulada será

observada em sistemas com substratos de menor granulometria.

Remoções inferiores (51,0%) foram verificadas por Aslam et al. (2007),

no entanto, os valores observados estão correlacionados aos reduzidos valores de

DQO na entrada do sistema (256 g m

-3

), sabe-se: que as taxas de degradação de

matéria orgânica são reduzidas em situações onde o carregamento é pequeno

(Kadlec e Wallace, 2009).

Demanda Bioquímica de Oxigênio

Na Figura 2.2 são visualizados os dados de entrada (afluente) e saída

(efluente) nos sistemas, no que tange à DBO. Os valores relativamente reduzidos

de DBO observados na ARS aplicada nos SACs, que operaram sob L

média de

3,5 g m

-2

-1

de DBO, são ocasionados pelo tipo de manejo da granja. O sistema

de manejo é na forma seca, no qual primeiramente se efetua a raspagem do

material sólido e depois faz a lavagem das baias. Essa forma de manejo torna a

ARS rica em nutrientes devido à urina dos animais e pobres em matéria orgânica,

já que apenas pequenas quantidades de restos de dejetos residuais da raspagem

constituem a ARS. Ambos os tratamentos, controle e plantado, apresentaram

concentrações efluentes semelhantes.

0 5 10 15 20 25 30

DBO (g m

-3

)

100

150

200

250

Afluente (ARS)

SAC (Controle)

SAC (Cyperus sp.)

Aplicação (Ciclo)

Figura 2.1. DBO afluente e efluente dos SACs durante o experimento.

Em relação à variável DBO, as remoções médias observadas foram de 73,5

e 72,3% no SAC não cultivado e cultivado, respectivamente. Igualmente à

variável DQO, não houve diferença estatística entre as médias dos tratamentos. Os

valores observados de eficiência na remoção de poluentes de ambos os

tratamentos, ficam dentro da faixa encontrada na literatura para SACs de

escoamento vertical (Klomjek e Nitisoravut, 2005; Zurita et al., 2009).

A maior remoção verificada no SAC cultivado foi de 88,0% e no não

cultivado foi de 83,9%. Sun et al. (2005), estudando o tratamento de ARS em

SACs de escoamento vertical em série, sob L

igual a 906,0 g m

-2

-1

de DBO,

verificaram remoções médias de DBO de 57,4%. Brix e Arias (2005) observaram

remoção média de 94,5% para SACs de escoamento vertical, tratando águas

cinzas e esgoto doméstico, cultivados com Phragmites australis, sob L

média de

18,2 g m

-2

-1

de DBO. Aslam et al. (2007) observaram remoções médias de

51,0% em SACs de escoamento vertical, cultivados com Phragmites karka,

tratando água residuária de refinaria, com L

de 13,5 g m

-2

-1

de DBO .

Possivelmente os SACs cultivados apresentam maiores quantidades e

variedades de micro-organismos, possibilitando mais fácil degradação do

conteúdo orgânico e, consequentemente, remoção de DBO. Porém ocorre,

simultaneamente, a depleção de oxigênio pela respiração endógena dos micro-

organismos, contribuindo para que não haja diferença significativa na remoção de

DBO entre SACs cultivados ou não.

3.1.3. Macronutrientes

Nitrogênio Total Kjeldahl

No SAC cultivado, observou-se a remoção máxima de 45,3% no NTK,

verificando remoção média de 37,5%, que se apresentou estatisticamente superior

(teste t, P < 0,001) à obtida no SAC não cultivado, com remoção máxima de

41,7% e média de 28,5%. Ressalta-se que, no presente estudo, os SACs operaram

sob uma L

equivalente a 8,4 g m

-2

-1

de NTK.

Kantawanichkul et al. (2001) tratando ARS em SACs de escoamento

vertical, observaram remoções médias de 97% de NTK, sendo que os sistemas

estudados operavam sob taxas semelhantes às do presente estudo. Infere-se que

esta elevada remoção possa estar ligada a maior absorção de N pela planta

(Cyperus flabelliformis), na ordem de 1,1 g m

-2

-1

, contra a observada para o

Cyperus sp. no presente experimento, de 0,2 g m

-2

-1

, bem como a elevada

nitrificação verificada pelos autores, que na conversão de NTK em nitrato, acaba

por reduzir a concentração do mesmo.

Torrens et al. (2009), tratando efluente de lagoa de estabilização,

aplicando taxas de 2,8 a 12,0 g m

-2

-1

de NTK, também verificaram remoções

maiores (74,5 e 73,0%, respectivamente nos SACs escoamento vertical, cultivado

e não cultivado). Com valores de remoção de nitrogênio total próximos aos

observados neste trabalho, Brix e Arias (2005) observaram uma remoção média

de 43,8% de NTK nos SACs de escoamento vertical utilizados para tratar águas

cinzas, sob L

média de 6,8 g m

-2

-1

de NTK.

Na Figura 2.3 pode-se observar a tendência de acompanhamento das

concentrações efluentes com a concentração afluente, porém verifica-se um

afastamento inferior da linha de concentração do SAC cultivado com Cyperus sp.,

evidenciando a maior remoção do mesmo.

0 5 10 15 20 25 30

NTK (g m

-3

)

150

200

250

300

350

400

450

500

Afluente (ARS)

SAC (Controle)

SAC (Cyperus sp.)

Aplicação (Ciclo)

Figura 2.3. NTK afluente e efluente dos SACs durante o experimento.

Nitrato

Com uma L

de 14,8 x 10

-3

g m

-2

-1

de N-NO

, verificou-se não haver

nitrificação em ambos os sistemas, cultivado e não cultivado, com remoção média

de 49,0% no SAC cultivado e de 50,4% no não cultivado. Conforme se pode

verificar na Tabela 2.1, apesar de ter havido aumento no potencial redox e

consumo de alcalinidade que indicariam nitrificação, não houve elevação

suficiente do potencial redox para se atingir a condição aeróbia, e sim elevando

até uma condição limítrofe entre a anaeróbia e a anóxica que, como citado por

Zurita et al. (2009), permite a desnitrificação.

Em SACs verticais em série, tratando ARS, sob L

de 1,5 g m

-2

-1

de N-

, Sun et al. (2005) observaram remoção média de 25% de nitrato e, em SAC

similar com recirculação do efluente, houve nitrificação, ou seja, se elevaram os

níveis de nitrato, havendo uma elevação média de 164,7%. Maiores níveis de

elevação de nitrato foram observados por Kantawanichkul et al. (2001), com

concentração afluente de 0,27 g m

-3

e atingindo uma concentração efluente de

72,8 g m

-3

Matos et al. (2009b) estudando SACs de escoamento horizontal,

cultivados com Cynodon dactylon, Alternanthera philoxeroides e Typha latifolia,

observaram uma elevação da concentração de nitrato em 66,7%, acredita-se que

esta nitrificação seja devida a alta capacidade de oxigenação da Typha latifolia.

Verifica-se, geralmente, que a nitrificação em SACs verticais, como nos

citados anteriormente, é decorrente de sistemas com recirculação que aumentam a

movimentação da massa de água, ocasionando maiores trocas gasosas com o

meio, e também em sistemas em que as aplicações são intermitentes e com

intervalos, com baixos TRHs.

Fósforo Total

As maiores remoções observadas foram de 80,9% no SAC cultivado e de

61,9% no SAC não cultivado e as menores remoções foram 34,0 e 39,1% nos

SACs não cultivado e cultivado, respectivamente. Com remoções médias de 55,9

e 44,4% nos SACs cultivado e não cultivado, respectivamente, houve diferença

estatística entre eles (teste t, P = 0,056).

Na Figura 2.4 pode-se visualizar o afastamento da linha efluente do SAC

cultivado com o SAC não cultivado, indicando a maior remoção de fósforo no

SAC cultivado.

0 5 10 15 20 25 30

(g m

-3

)

Afluente (ARS)

SAC (Controle)

SAC (Cyperus sp.)

Aplicação (Ciclo)

Figura 2.4. P

afluente e efluente dos SACs durante os dias de experimento.

Os valores médios de remoção observados neste experimento, sob L

1,3 g m

-2

-1

de P

, foram superiores aos encontrados na literatura para remoção

de fósforo em SACs de escoamento vertical. Klomjek e Nitisoravut (2005)

observaram 36,5% de remoção média nos SACs de escoamento vertical

cultivados e 31,4% para não cultivados, SACs estes tratando esgoto doméstico,

sob L

de 0,2 g m

-2

-1

. Brix e Arias (2005) também observaram baixas remoções

de fósforo, entre 20,0 e 30,0% tratando esgoto doméstico, esgoto doméstico com

recirculação e água cinzenta, aplicando-se uma L

média de 0,6 g m

-2

-1

de P

3.1.4. Outras variáveis

Potencial de Oxidação e Redução

De acordo com o esperado, observou-se que o potencial redox médio da

ARS afluente (-395,2 mV) permaneceu sempre em faixa anaeróbia (meio redutor).

Em ambos os tratamentos não houve elevação do potencial a níveis significativos,

permanecendo os mesmos em condição anaeróbia, situando-se próximo a

condição anóxica, com valores médios de -140,7 mV para o SAC não cultivado e

de -135,0 mV para o SAC cultivado.

Zhao et al. (2009) testando relações diferentes de carbono/nitrogênio em

águas residuárias sintéticas de cargas baixas, médias e altas, sob L

média de 14,6

g m

-2

-1

de DQO, não verificaram alterações significativas no potencial redox de

entrada (64,4 mV) e saída (47,2 mV) dos SACs. Yu et al. (2007) relatam que um

fator crítico para que haja nitrificação seria o potencial redox acima de 500 mV.

Faulwetter et al. (2009) citam haver um gradiente de 500 mV à -250 mV,

de uma fina camada no entorno das raízes à uma distância de 1-20 mm da

superfície da raiz, comprovando-se assim a oxigenação fornecida pela planta ao

sistema. Os autores ressaltam que em sistemas que tratem água residuária com

elevado conteúdo de matéria orgânica, dificilmente as plantas conseguiriam

fornecer oxigênio, suficiente, para suprir as suas demandas (o necessário para a

remoção de DQO, DBO etc.), e ainda ter de converter o nitrogênio amoniacal em

nitrato.

A espécie vegetal cultivada pode influenciar sobremaneira a condição

redox nos SACs. Matos et al. (2010), por exemplo, observaram que SACs de

escoamento horizontal cultivados com Typha sp. apresentam tendência de

oxigenação mais rápida quando comparados a sistemas cultivados com

Alternanthera philoxeroides e Cynodon dactylon.

Alcalinidade Total

As maiores remoções observadas de alcalinidade total foram de 37,9% no

SAC cultivado e de 36,1% no SAC não cultivado, com remoções médias de 30,2 e

25,6%, respectivamente, com L

média de 34,9 g m

-2

-1

de alcalinidade, tendo

sido observada diferença estatística entre as médias dos tratamentos (teste t, P =

0,002). Kantawanichkul et al. (2001), tratando ARS, com L

de 29,9 g m

-2

-1

alcalinidade, relatam a redução de alcalinidade em SACs de escoamento vertical

de 93,8%, os mesmos autores afirmam que esta redução é devida a elevada

nitrificação observada no sistema. A redução da alcalinidade pode ser

correlacionada com a nitrificação e também com a formação de precipitados, e

verificou-se neste trabalho uma pequena remoção de alcalinidade, podendo-se

inferir que, ainda que em pequenas quantidades e bem próximo as raízes, houve

nitrificação e, ou, houve formação de precipitados. Acredita-se, porém, que

mesmo que houvesse pequena nitrificação, o nitrato gerado seria reduzido, pois

como o sistema situava-se numa zona anóxica-anaeróbia, possivelmente bactérias

heterótrofas utilizariam o nitrato como aceptor de elétrons no lugar do oxigênio,

como citado por Pereira (2008).

Turbidez

No SAC cultivado, observou-se a remoção máxima de 87,2% na turbidez

da ARS, remoção média de 69,4%, não diferindo estatisticamente do SAC não

cultivado, no qual foi obtida remoção máxima de 85,8% e média de 71,5%. Sklarz

et al. (2009) verificaram remoções de 80,0~90,0% em SACs de escoamento

vertical não cultivados, tratando esgoto doméstico, utilizando como meio suporte

turfa, plástico de elevada área superficial e seixos de calcário, com taxas de

recirculação de 4,5 a 2,5 m

-1

. Valores semelhantes também foram observados

por Brasil et al. (2005) tratando esgoto doméstico, em SACs de escoamento

subsuperficial horizontal cultivados com Typha sp., com L

orgânica variando

entre 2,6 e 11,8 g m

-2

-1

de DBO, utilizando como meio suporte brita ”zero”. Nos

SACs com TRH de 1,9 dias foi observada remoção de 80% da turbidez e no SAC

com TRH de 3,8 dias, remoção de 86%. Freitas (2006) tratando ARS em SACs de

escoamento horizontal, observou remoções de turbidez similares (60-66,6%) às

encontradas no presente trabalho.

Condutividade Elétrica

Com remoções médias de 26,1% no SAC cultivado, a remoção de CE no

efluente diferiu estatisticamente (teste Mann-Whitney, P = 0,031) do SAC não

cultivado, onde se observou remoção média de 22,9%.

Remoção média um pouco maior (33,8%) foi observada por Matos et al.

(2009b). Entretanto, verifica-se, na literatura, que em SACs de escoamento

vertical foram observadas, até mesmo, elevações na CE: Gross et al. (2007)

pesquisando SACs sob L

de 77,4 g m

-2

-1

de DBO para o tratamento de águas

cinzas verificaram aumento de 8% e Morari e Giardini (2009) tratando esgoto

doméstico com L

entre 0,9 a 2,8 g m

-2

-1

de DBO, observaram aumento de 37%

na CE do efluente dos SACs.

De certa forma, as remoções obtidas neste experimento podem ser

consideradas razoáveis, visto que SACs em geral não são apresentam-se eficientes

na redução de CE e geralmente não são observadas reduções nestes sistemas

(Gross et al., 2007, Morari e Giardini, 2009).

Potencial Hidrogeniônico

O valor médio do pH observado na ARS afluente foi de 7,5 e, em ambos

os tratamentos, o valor médio de pH efluente foi elevado a 8,0. Essa elevação

pode ser devida à utilização do dióxido de carbono pelas plantas e algas, tal como

cita Kadlec e Wallace (2009), bem como pelo processo de desnitrificação, que

libera hidroxilas ao meio. Como verificado anteriormente, ocorreu remoção de

nitrato do sistema, sendo que, possivelmente, uma parte tenha sido absorvida pela

planta e outra parte sofrido desnitrificação, visto que a reação verificada em

condições anaeróbias, com pH do meio superior a 7,0, é de modo simplificado

dado pela seguinte reação: 2 NO

+ 6 H

O + 10 e

→ N

(g) + 12 OH

. Condições

propícias à desnitrificação foram observadas neste experimento (afluente com pH

médio de 7,5 e potencial redox de -395,2 mV).

Zurita et al. (2009) estudando SACs verticais, tratando esgoto doméstico,

observaram valores semelhantes aos obtidos neste experimento, pH de entrada do

sistema de 7,4 e de saída de 8,0. Similarmente, Sun et al. (2005) tratando ARS em

SACs verticais, observaram elevações do pH de 6,9 para 7,5, com mínima

redução do pH apenas no caso de recirculação do efluente, variando de 6,9 para

6,8.

3.2. Temperatura, umidade e evapotranspiração na casa de vegetação

A temperatura média do ar observada dentro da casa de vegetação foi de

27,7 °C e a média das temperaturas máxima e mínima observadas foram

respectivamente 34,2 °C e 18,4 °C. A umidade relativa do ar média durante o

experimento foi de 63,3%, sendo a maior e a menor umidade média relativa do ar,

80,5 e 53,0%, respectivamente. A evapotranspiração no SAC cultivado

(2,7 mm d

-1

) foi estatisticamente superior (teste Mann-Withney, P < 0,001),

1,8 vez maior, do que no SAC não cultivado (1,5 mm d

-1

), produzindo assim,

além de um efluente melhor tratado, menor volume efluente para despejo em

solos ou corpos hídricos. Kantawanichkul et al. (2009) observaram

evapotranspiração de 20,1 mm d

-1

em SAC cultivado com Cyperus involucratus,

2,5 vezes maior que no SAC não cultivado (7,9 mm d

-1

Os valores observados por Kantawanichkul et al. (2009) foram superiores

aos encontrados no presente trabalho, possivelmente por trabalharem com maiores

áreas, maior densidade de plantas e principalmente pelo clima tropical,

característico da Tailândia, onde fora realizado o experimento.

Maiores valores de evapotranspiração foram observados em SACs de

escoamento horizontal, cultivados com Typha sp., estudados por Brasil e Matos

(2008), que averiguaram uma evapotranspiração média de 9,3 mm d

-1

, na mesma

região que fora realizado o presente experimento; esta evapotranspiração maior

pode estar correlacionada com a maior demanda evapotranspirativa da Typha sp.,

pela maior área utilizada pelos SACs, por se situarem a céu aberto, sofrendo

maior influência dos ventos, bem como a menor umidade relativa que se encontra

no lado externo da casa de vegetação.

3.3. A planta e os nutrientes

3.3.1. Produção de massa

Na Figura 2.5.A está apresentado o SAC cultivado com Cyperus sp. aos 60

dias de aplicação de ARS e na Figura 2.5.B está apresentado o SAC cultivado

com Cyperus sp. que recebeu somente água, para comparação do

desenvolvimento das plantas. As plantas cultivadas nos SACs submetidos à

aplicação de ARS apresentaram menor desenvolvimento, sendo que, aos 60 dias,

ainda não havia apresentado produção de sementes. Apesar disso, notou-se uma

coloração verde mais forte nas folhas, sinal de que houve maior absorção de

nitrogênio pelas plantas. Infere-se que o menor desenvolvimento pode estar

associado ao estresse devido à alta salinidade do meio, proporcionado pela ARS.

Figura 2.5. A – SAC sob aplicação de ARS, B - SAC sob aplicação de água.

Na Tabela 2.3 estão apresentados os dados referentes à produtividade de

massa seca e verde, nas partes inferior, superior e total das plantas.

Tabela 2.3. Valores médios de produtividade, taxa de produtividade e

produtividade unitária.

Produtividade (kg m

-2

) Taxa de Produtividade (g m

-2

-1

)

MS MV

Superior 0,7 1,6 7,5 18,5

Inferior 1,4 4,9 - -

Total 2,1 6,5 - -

MS – Massa Seca,

MV – Massa Verde

Com 3 plantas (densidade de 10,6 plantas m

-2

) no SAC sob aplicação de

ARS, o Cyperus sp. produziu 1,7 kg m

-2

de massa verde aérea (parte superior),

resultando em 0,7 kg m

-2

de massa seca. Comparando-se com o observado por

Matos et al. (2009a), tratando ARS, em SACs horizontais sob a L

de 59,1 g m

-2

-1

de DQO, verificou-se produtividades de matéria seca superiores às encontradas

para o Cyperus sp. neste trabalho, sendo elas: 2,2; 2,6 e 2,8 kg m

-2

para Typha

latifolia, Alternanthera philoxeroides e Cynodon dactylon, respectivamente. Estas

produtividades são superiores às encontradas por Brasil et al. (2007) que trataram

esgoto doméstico em SACs horizontais sob L

variando de 16,8 a 30,5 g m

-2

-1

DQO e observaram produtividade média para a Typha sp. de 0,7 kg m

-2

Verificou-se que a taxa de produtividade de massa seca superior do

Cyperus sp. (7,5 g m

-2

-1

), esteve próxima à observada por Konnerup et al.

(2009) para a Canna sp. (8,5 g m

-2

-1

) e bem superior que a da Heliconia sp. (1,5

g m

-2

-1

), quando cultivadas em SACs de escoamento horizontal utilizados no

tratamento de esgoto doméstico, aplicando uma L

de 22,6 g m

-2

-1

de DQO.

Comparando-se a produtividade unitária de biomassa verde do Cyperus sp.

(1,7 g planta

-1

) na parte superior da planta, verificou-se valores superiores no

experimento de Cheng et al. (2009) de 2,8 g planta

-1

para o Cyperus

flabelliformis e valores inferiores, entre 0,4 e 0,5 g planta

-1

, para as espécies

Acorus calamus, Phragmites australis e Vetiveria zizanioides, cultivadas em

SACs horizontais, tratando esgoto doméstico, sob uma L

de 2,6 g m

-2

-1

DQO.

Trabalhando com Cyperus involucratus em SACs de escoamento vertical,

tratando água residuária sintética (300 g m

-3

de DQO e 300 g m

-3

de N

), sob L

média de 13,7 g m

-2

-1

de DQO, Kantawanichkul et al. (2009) observaram taxa

de produtividade de matéria seca de 28,7 g m

-2

-1

, muito além do que se observou

para o Cyperus sp. utilizado neste experimento.

Cheng et al. (2009), sob as condições anteriormente citadas, observaram

que as maiores remoções de poluentes ocorreram no SAC cultivado com Cyperus

flabelliformis, já que o mesmo apresentou a maior produção de biomassa e um

crescimento mais rápido, corroborando, desta forma, que a vegetação tem

influência significativa sobre a remoção dos poluentes.

3.3.2. Absorção de nutrientes e sódio pelas plantas

Verificou-se, na parte aérea do Cyperus sp., absorção de 6,2 g de

nitrogênio, 0,6 g de fósforo, 4,0 g de potássio e 0,3 g de sódio, absorção essa,

referente aos 90 dias de duração do experimento.

Comparando a taxa de absorção diária de nitrogênio do Cyperus sp. (0,24

g m

-2

-1

) com os encontrados na literatura observou-se que esta foi maior que a

da Canna sp. (0,23 g m

-2

-1

) e da Heliconia sp. (0,03 g m

-2

-1

) no experimento de

Konnerup et al. (2009) tratando esgoto doméstico, sob a L

de 4,2 g m

-2

-1

de N.

Li et al. (2008) observaram, em SACs cultivados com Typha angustifolia,

tratando água eutrofizada do lago Taihu (China), sob a taxa de aplicação de 3,1 g

-2

-1

de N, de escoamento vertical, horizontal e livre, taxas de absorção de

nitrogênio de 0,08; 0,11 e 0,12 g m

-2

-1

, respectivamente, cujos valores foram

inferiores aos encontrados para o Cyperus sp., neste trabalho.

A taxa de absorção diária do fósforo no Cyperus sp. observada foi de

0,023 g m

-2

-1

, igual à encontrada por Li et al. (2008), em SACs cultivados com

Typha angustifolia de escoamento livre, porém superior ao observado nos SACs

de escoamento vertical (0,008 g m

-2

-1

) e horizontal (0,011 g m

-2

-1

), cultivados

com a mesma espécie vegetal, tratando água eutrofizada do lago Taihu (China),

com L

de 0,1 g m

-2

-1

de P.

Na Tabela 2.4 pode-se observar a concentração das variáveis N, P, K e Na

nas folhas do Cyperus sp.

Tabela 2.4. Valores de concentração de N, P, K e Na na parte aérea do Cyperus

sp.

Parte Aérea Nitrogênio Fósforo Potássio Sódio

Concentração (dag kg

) 3,2 0,3 2,1 0,1

Matos et al. (2008), ao trabalharem com Cynodon spp. em SACs de

escoamento horizontal, tratando água residuária de laticínios, variando a taxa de

aplicação orgânica entre 6,6 e 57,0 g m

-2

-1

de DBO, observaram concentrações

de 2,9~4,0 dag kg

-1

de N, 0,3~0,4 dag kg

-1

de P, 1,3~1,5 dag kg

-1

de K e

0,04~0,07 dag kg

-1

de Na. As concentrações de N e P foram semelhantes às

encontradas neste trabalho, já as concentrações de sódio e potássio foram

inferiores, porém com uma produtividade variando de 0,7 a 1,5 kg m

-2.

Estes

valores foram superiores aos 0,7 kg m

-2

do Cyperus sp., fazendo com que a

remoção, por área, de nutrientes fosse relativamente maior.

Com base no exposto verifica-se que a taxa de absorção dos nutrientes

varia muito com a espécie vegetal, as condições climáticas, o tempo de retenção

hidráulica e as características das águas residuárias aplicadas nos sistemas.

4. CONCLUSÕES

• Ao término de 90 dias de experimentação, não se verificou diferença estatística

entre SACs cultivados ou não em relação as variáveis analisadas, exceto para

as variáveis NTK, AT, CE e P

• As remoções médias nos SACs cultivado e não cultivado foram de 37,5 e

28,5%, 30,2 e 25,6%, 26,1 e 22,9% e 55,9 e 44,4% para NTK, AT, CE e P

respectivamente.

• O Cyperus sp produziu 674,5 g m

-2

de matéria seca, com uma taxa de

produtividade de 7,5 g m

-2

-1

, com absorção de nutrientes equivalente a 21,8 g

-2

de N; 2,1 g m

-2

de P; 14,0 g m

-2

de K e 0,9 g m

-2

de Na.

• A evapotranspiração, estatisticamente superior (teste Mann-Withney, P <

0,001) no SAC cultivado que a evaporação no SAC não cultivado, tem papel

fundamental na contabilização da remoção mássica das variáveis analisadas.

• A elevação do potencial redox nos SACs cultivados não foi relevante a ponto

de tornar expressiva a nitrificação no meio.

• O cultivo de plantas em SACs se faz importante para que se possa atingir

maiores remoções de nutrientes e sódio da ARS.

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