Determinação dos mecanismos de transporte de Na + em solo arenoso residual da Formação Adamantina, Grupo Bauru (K), por meio de ensaios de coluna

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1 Determinação dos mecanismos de transporte de Na + em solo arenoso residual da Formação Adamantina, Grupo Bauru (K), por meio de ensaios de coluna Vanessa Almeida de Godoy Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, vgodoy@sc.usp.br Lázaro Valentín Zuquette Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, lazarus1@sc.usp.br Gian Franco Napa-García Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, gnapa@sc.usp.br RESUMO: Efluentes de esgotos domésticos são utilizados na irrigação de terras agrícolas, mas possuem altas concentrações de sódio, Na +, que podem alterar a condutividade hidráulica, taxa de infiltração, salinização e retenção de água no solo. Assim, o estudo dos mecanismos de transporte do Na + é de fundamental importância para que assim possa haver um reuso mais sustentável na irrigação agrícola. Diante deste contexto, objetivou determinar os mecanismos de transporte de Na +, ou seja, coeficiente de dispersão hidrodinâmica, D h, e fator de retardamento, R d, em colunas indeformadas de solo residual de arenitos da Formação Adamantina, Grupo Bauru (K), que está presente em grande extensão no Estado de São Paulo. Para isso, ensaios de percolação em coluna foram realizados em amostras indeformadas. Caracterizações físicas, químicas, físico-químicas e mineralógicas foram relacionadas aos valores de D h e R d obtidos. A mineralogia do solo é composta por quartzo, caulinita, gibsita e haloisita. Texturalmente o solo é arenoso (79,4%). Constatou-se a presença de dupla porosidade e de macroporos. O valor de CTC obtido (1,52 mmolc /kg) indica que o material possui baixa capacidade de retenção de cátions por adsorção eletrostática. Os resultados de ph em H 2 e em KCl (5,23 e 4,2 respectivamente) indicam que o solo é ácido. O ph negativo (-1,3) e o PCZ (4,18) menor do que o ph indicam que há predomínio de cargas negativas no solo, o que pode favorecer a adsorção de cátions como o Na +. Os resultados mostram que os valores de D h e R d estão bastante diferentes entre os métodos e isto provavelmente se relaciona aos seus modelos conceituais. Nota-se que o sódio está sendo retido pelo solo, mas a rápida movimentação deste íon nas colunas e os valores do D h sugerem também o predomínio do movimento advectivo. A determinação do D h e R d foi fortemente influencia pela macroporosidade. Os principais mecanismos de transporte atuantes são a advecção e a adsorção não específica, especialmente devido às características de carga elétrica deste solo. Finalmente, os resultados mostraram que o uso de parâmetros de transporte em modelagem de contaminante transporte deve ser feito com cautela, observando tanto as características do solo, quanto os modelos conceituais e as limitações dos métodos utilizados para a determinação desses parâmetros. PALAVRAS-CHAVE: Ensaio de Coluna, Dispersão Hidrodinâmica, Fator de Retardamento. 1 INTRODUÇÃO Com o aumento da geração de esgotos dométiscos em decorrência do aumento populacional, há também aumento da geração de efluentes. Efluente é um dos produtos finais do tratamento de esgotos que devido à eficiência limitada de tais tratamentos, é rico em nutrientes (nitrogênio e fósforo) e sais (principalmente o cloreto de sódio) (Quadros et al.,21). Normalmente os efluentes são dispostos em corpos hídricos superficiais para que ocorra sua diluição. Contudo, isso pode provocar desequilíbrio nutricional, levando à eutrofização e redução da vida aquática, além de provocar riscos à saúde da população (Toze, 26; Al Salem, 1996; Couracci Filho et al., 22). Assim sendo desenvolveu-se a fertirrigação, ou seja, a prática de irrigação de terras agrícolas com os efluentes provenientes de tratamento de esgotos. A fertirrigação é utilizada em todo o mundo há varios anos, mas é mais importante em

2 regiões onde existem solos pobres em matéria orgânica e em nutrientes, e em áreas que sofrem com escassez de água para irrigação. Esta prática é baseada no princípio de que o solo retém os nutrientes presentes nos efluentes. Assim ocorre aumento da fertilidade dos solos e da produtividade agrícola. Também pode ocorrer redução da contaminação de corpos hídricos superficiais, do consumo de água potável e do uso de fertilizantes (Toze, 26; Kiziloglu et al., 27; Remirez-Fuentes et al., 22; Haruvy, 1997). No entanto, o uso indiscriminado deve ser visto com cautela. Nutrientes em excesso podem contaminar as águas subterrâneas e comprometer a saúde e o abastecimento da população. Além disso, a concentração de sais presentes no efluente pode causar aumento da salinidade dos solos, desequilíbrio nutricional nas plantas e alteações negativas na estrutura do solo (Toze, 26; Clanton e Lack, 1987; Cook et al., 1994; Rodrigues, 23). Desta maneira, é muito importante o desenvolvimento de estudos que avaliem o comportamento dos solutos presentes nas águas residuárias, quando estes entram em contato com o solo. Diante deste contexto, esta pesquisa buscou determinar os mecanismos de transporte de sódio em colunas indeformadas de material arenoso da Formação Adamantina, Grupo Bauru, que está presente em grande extensão no Estado de São Paulo e, portanto, sua preservação possui grande importância estratégica. 2 ÁREA DE ESTUDO A área de estudo localiza-se no município de Cabrália Paulista (Figura 1). Situa-se sobre material inconsolidado residual de arenitos da Formação Adamantina, Grupo Bauru, que compreende um pacote sedimentar de idade retácea, que aflora em área de cerca de 117. km² no Estado de São Paulo (DAEE 199; Paula e Silva, Cheng & Caetano-Chang, 23). Figura 1 Localização da área de estudo 3 METODOLOGIA Em campo realizaram-se ensaios de condutividade hidráulica de acordo com ABGE (1996) e coleta de amostras de solo indeformadas e deformadas à profundidade de 6 cm. Em laboratório realizaram-se caracterizações mineralógicas por meio da difração de raios X (Azaroff e Buerguer, 1953) e análise de energia dispersiva (EDS). Análise granulométrica conjunta (ABNT-NBR7181/1984, determinação da massa específica dos sólidos (ABNT NBR 658/1984) e análise de porosimetria por intrusão de mercúrio (Washburn, 1921), foram realizadas para caracterização física do solo. A caracterização físico-química deu-se por meio da determinação do ph (H2O e KCl), Eh e condutividade elétrica (EC) (EMBRAPA, 1997), delta ph (Mekaru e Uehara, 1972),

3 Point of zero charge (PCZ) (Keng e Uehara, 1974), teor de matéria orgânica (ABNT/NBR ) e Capacidade de troca (CEC)(PEJON, 1992). Após caracterização, iniciaram-se o ensaio de coluna para determinação dos índices físicos do solo (NOGUEIRA, 25) e dos parâmetros de fluxo i.e. velocidade linear média(v), velocidade de Darcy (q) e condutividade hidráulica (k). Em seguida, em cada uma das três colunas utilizadas percolou-se uma solução de NaCl (277, 5 e µmol/l) durante 15 volumes de poros. As concentrações de Na + foram determinadas por meio de um fotômetro de chama. Com isso, construíram-se se as curvas de chegada do Na + (Figura 7). Depois disso, determinou-se o D h e por meio de três métodos: Brigham (1974), Singh (1998), Bear (1961). O R d foi determinado de acordo com van Genuchten e Parker (1984), Freeze e Cherry (1979), Shackelford (1993;1994). 4 RESULTADOS A mineralogia do solo é composta por quartzo, caulinita, gibsita e haloisita, mineralogia típica para solos desta região (Figura 2). Difração de Raios X Antes do Ensaio de Coluna Natural Térmico Químico (Quartzo) Diâmetro dos Poros (1E-6 m) Figura 3 Frequência versus diâmetro dos poros. Frequência Porcentagem do Volume Total Introduzido (%) Topo Topo Meio Meio Base Base,1,1, Diâmetro dos Poros (1E-6 m) Figura 4 Diâmetro dos poros versus porcentagem do volume total de mercúrio introduzido No entanto, com a análise visual das colunas constatou-se que há muitos macroporos com diâmetro variando de 2 a 4 mm que não foram identificados no ensaio de porosimetria, mas que devem ser considerados na análise dos mecanismos de transporte (Figura 5). 8 cps (Haloisita) 7.25 (Caulinitas) 4.26 (Gibsita) 3.54 (Caulinita) θ Figura 2 Gráficos de difratometria de raios X para os três tratamentos realizados Texturalmente o solo estudado possui 79,4% de areia, 1, 5% argila e 1,1% de silte. A análise de porosimetria por intrusão de mercúrio constatou a presença de dupla porosidade (Figura 3). Além disso, segundo a classificação de Koorevaar, Menelik e Dirksen (1983), tem-se 5% de macroporos, ou seja, poros maiores que 1 µm (Figura 4). Macroporos Figura 5 Macroporosidade nas colunas de solo. A massa específica dos sólidos está de

4 acordo com materiais arenosos (26.4 kn/m³).). O valor de CTC obtido (1.52 mmolc /kg) indica que o material possui baixa capacidade de retenção de cátions por adsorção eletrostática. A condutividade elétrica mostra a existência de baixas concentrações de sais dissolvidos (55.7mS/m). Os resultados de ph em H 2 O e em KCl (5,23 e 4,2 respectively) indicam que o solo é levemente ácido, característico dos solos dessa região. O ph negativo (-1,3) e o PCZ (4,18) menor do que o ph do solo indicam que há predomínio de cargas negativas no solo, o que pode favorecer a adsorção de cátions como o Na +. Além disso, este solo possui baixo teor de matéria orgânica (1,18 %). Os valores de condutividade hidráulica foram consistentes com solos arenosos (com ordem de grandeza de 1-5 m/s). Os valores da velocidade de Darcy e da velocidade linear média foram da ordem de 1-4 m/s. Estes dois valores foram similares entre si e este resultado é reflexo da macroporosidade do solo. Durante os ensaios de coluna, foram monitorados o ph, a temperatua e a condutividade elétrica. Os valores de ph variaram entre 6,8 e 7,7 e a temperatura variou de 22,5 a 23 C. Notou-se aumenta da condutividade elétrica com o passar do volume de poros (Figura 5). Condutividade Elétrica (µs/cm) Condutividade Elétrica x Volume de Poros Coluna 1 Coluna 2 Coluna Volume de Poros Figura 6 Condutividade elétrica versus Volume de Poros Observando a curva de chegada (Figura 6) é possível notar a retenção do sódio, o que explica o aumento da C.E no solo. Esta retenção pode ocorrer devido à adsorção não específica, que, mesmo ocorrendo em pequena quantidade devido à mineralogia do solo, pode ser capaz de agir fortemente na retenção do sódio. A curva de chegada também mostra que no início do ensaio parte do soluto está deixando a coluna com a mesma velocidade linear média da água. Isto sugere a ocorrência de movimento advectivo por caminhos preferencias, como os macroporos. Concentração Relativa C//C Figura 7 Curvas de chegada de sódio. Os valores de Dh foram muito diferentes dependendo do método usado (Tabela 1.). Provavelmente, isto esta relacionado ao modelo conceitual de cada método. Os valores de Dh obtidos com o método proposto por Bear (1972) são dependentes dos valores do coeficiente de dispersividade longitudinal (α l ), que podem variar bastante, dependendo da escala de análise. Tabela 1. Valores do Coeficiente de Dispersão Hidrodinâmica do Na + Coeficiente de Dispersão Hidrodinâmica (m²/min) Método Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 Brigham et al. (1974) Curva de Chegada de Na + Coluna 1 Coluna 2 Coluna Volume de Poros 1,91E-3 2,24E-3 2,82E-3 Singh (1998) 2,96E-7 2,68E-7 6,54E-7 Bear (1961) 1,97E-4 2,25E-4 2,85E-4 Os valores de D h obtidos com o método proposto por Bringham et al. (1974) podem não ser apropriados quando houver macorporos na coluna, como neste caso estudado, pois a velocidade linear média calculada refletirá principalmente a velocidade pelos macroporos e não por toda a coluna de solo (Godoy, 213).

5 Por outro lado, o método proposto por Singh (1998), apesar de resultar em valores que podem variar bastante com pequenas alterações no formato da curva de chegada, não usa diretamente os valores da velocidade linear média na determinação do D h. Assim, este método é menos vulnerável a erros na medição da velocidade. Para determinar os valores de R d com o método proposto por Frreze e Cherry (1979), deve-se assumir que a sorção obedece a uma isoterma linear. Contudo, isto normalmente não ocorre em materiais geológicos, como pode ser visto no ajuste das isotermas para o solo estudado. Os valores de R d obtidos com este método são menores do que os valores obtidos com outros métodos (Tabela 2.). Tabela 2. Valores de Fator de Retardamento de Na + Método Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 van Genuchten e Parker (1984) Freeze e Cherry (1979) 5 CONCLUSÕES 5,6 3,79 2,74 3,5 2,2 1,9 Ensaios de caracterização foram fundamentais para que se interpretassem os possíveis mecanismos de transporte presentes no solo. A presença de dupla porosidade bem como de macroporosidade foram determinantes nos valores dos parâmetros de fluxo e transporte. O solo, apesar de arenoso e com baixa CTC, apresentou significante sorção. Com isto, podese concluir que as conhecer as características físico-químicas, mineralógicas e físicas, principalmente em relação á porosidade, são essenciais para entender o transporte de solutos no solo. O principal mecanismo de transporte atuando neste solo são advecção e adsorção não-específica. A análise dos modelos conceituais dos métodos utilizados para a determinar os valores de D h e R d permitiu que se identificassem as limitações e vantagens de cada método. Os resultados sugerem que o uso de parâmetros de transporte em modelagem do transporte de contaminantes deve ser feito com cautela. É necessário que se observe tanto as características do solo (mineralógicas, físicas, químicas, físico-químicas) quanto o modelo conceitual e as limitações do métodos usados na determinação desses parâmetros. AGRADECIMENTOS Agradecemos aos professores e aos funcionários da Escola Técnica Estadual Astor de Mattos Carvalho, à coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior e à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, por permitirem o desenvolvimento deste trabalho. REFERÊNCIAS Al Salem, S.S. (1996) Environmental considerations for wastewater reuse in agriculture. Water Science and Technology, v.33, n.1 11, p Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT NBR : Solo Determinação do teor de matéria orgânica por queima a 44 C. Rio de Janeiro, p. NBR a: Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm: determinação da massa específica: método de ensaio. Rio de Janeiro, 7 p. NBR c: Solo - análise granulométrica. Rio de Janeiro, 13 p. Azaroff, L. V. Buerger, M. J. (1953) The powder method in X-ray crystallography. 342p. Bear, J. (1961) Some experiments in dispersion. Journal of Geophysical Research, v. 66, n. 8, p Brigham, W. E. et al.(1974) Mixing equations in short laboratory cores. Old Society of Petroleum Engineers Journal, v. 14, n. 1, p Clanton;, C.J. e Lack, D.C. (1987) Hydraulic properties of soils as affected by surface application of wastewater. Transactions of American Society of Agricultural Engineering, v.3, n.3, p Cook, F.J. e Kelliher, F.M.; Mcmahon, S.D. (1994) Changes In Infiltration And Drainage During Wastewater Irrigation Of A Highly Permeable Soil. J. Environ. Qual., v.23, n.3, p Coraucci Filho, B. et al. (22) Remoção natural de patógenos no sistema de pós-tratamento por escoamento superficial no solo. In: VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Anais...Vitória, ES, 5p. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - EMBRAPA. (1997) Centro Nacional de Pesquisa de

6 Solos. Manual de métodos de análise de solo. Rio de Janeiro, 212p. Freeze, R. A. e Cherry, J. A. (1979) Groundwater, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, Nova Jersey, 64 p. Godoy, V.A. (213) Estudo dos mecanismos de transporte de sódio, fosfato e amônio em colunas indeformadas de material inconsolidado residual de arenitos da Formação Adamantina. 255p. Dissertação (Mestrado), Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 213. Haruvy, N. (1997) Agricultural reuse of wastewater: nation-wide cost-benefit analysis. Agriculture, Ecosystems & amp; Environment, v.66, n.2, p Kiziloglu, M.F. et al. (27) Effects of wastewater irrigation on soil and cabbage-plant (brassica olerecea var. capitate cv. yalova-1) chemical properties. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, v.17, n.1, p Paula E Silva, F.; Cheng, H.K. e Caetano-Chang, M.R. (23) Perfis de referência do Grupo Bauru (K) no Estado de São Paulo. Geociências, v. 22, n. especial, p Quadros, D.G.D. et al. (21) Anaerobic digestion of goat and sheep wastes in a continuous reactor of flexible PVC. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.14, n.3, p Ramirez-Fuentes, E. et al. (22) Characteristics, and carbon and nitrogen dynamics in soil irrigated with wastewater for different lengths of time. Bioresource Technology, v.85, n.2, p Rodrigues, R.A. (23) A influência do esgoto doméstico como fluido de saturação no colapso de um solo arenoso. 13 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Faculdade De Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, 23 Singh, S. K. (1998) Estimation of dispersion coefficient from data on soil column test. In: IX National Symposium on Hydrogeology (Amritsar).National Institute of Hydrology. Anais Roorkee, India, p Toze, S. (26) Reuse of effluent water: benefits and risks. Agricultural Water Management, v.8, n.1 3, p Van Genuchten e M. T; Parker, J. C. (1984) Boundary conditions for displacement experiments through short laboratory soil columns. Soil Science Society of America Journal, v. 48, n. 4, p Vilella Junior, L. V. E.; Araújo, J. A. C. e Factor, T.L. (23) Comportamento do meloeiro em cultivo sem solo com a utilização de biofertilizante. Horticultura Brasileira, Brasília, v.2, n.2, p