II-117 DISPOSIÇÃO CONTROLADA DE ESGOTOS EM SOLO PREPARADO COM COBERTURA VEGETAL ATRAVÉS DO ESCOAMENTO SUBSUPERFICIAL.

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1 II-117 DISPOSIÇÃO CONTROLADA DE ESGOTOS EM SOLO PREPARADO COM COBERTURA VEGETAL ATRAVÉS DO ESCOAMENTO SUBSUPERFICIAL. Manoel Lucas Filho (1) Engenheiro Civil, Doutor em Recursos Hídricos, Professor da UFRN, pesquisador do PROSAB-RN. FOTO Cicero Onofre de Andrade Neto NÃO Engenheira Civil Mestre em Engenharia Civil com Concentração em Saneamento, Professor da UFRN, Membro do Grupo Coordenador do PROSAB Programa de Pesquisa DISPONIVEL em Saneamento Básico (FINEP/CNPq/CEF); Henio Normando de Souza Melo Engenheiro Químico, Doutor em Engenharia Ambiental, Professor da UFRN, Coordenador do PROSAB-RN Maria Gorete Pereira Engenheira Civil, Mestre em Engenharia Química, Bolsista (DCR/CNPq) do PROSAB/RN Programa de Pesquisas em Saneamento Básico. Endereço (1) : Av. Rodrigues Alves, 1271, Apto. 502 Tirol Natal RN CEP Brasil Tel.: (84) Fax (84) Lucas@ct.ufrn.br RESUMO O pós-tratamento por disposição controlada no solo tem se mostrado um método eficaz e apropriado de disposição final de efluentes tratados em regiões semi-áridas, onde os recursos hídricos são muito escassos. O sistema aporta uma série de vantagens a saber: o benefício agrícola, o baixo investimento, o pequeno custo de operação, o baixo consumo de energia e, principalmente, o impedimento de descargas de substâncias em corpos d água, os quais, no caso da região semi-árida nordestina, constituem-se quase que exclusivamente de reservas hídricas dos aluviões de rios secos que significam praticamente os únicos aqüíferos disponíveis para as populações rurais que vivem à jusante das cidades. No presente trabalho apresentamos o estudo da disposição de água residuária no solo pelo método do escoamento subsuperficial, aplicado no pós-tratamento de efluentes de sistemas de tratamentos anaeróbios, em tabuleiros inclinados confinados (bacias confinadas com escoamento subsuperficial) dotados de cobertura vegetal. O objetivo principal é avaliar experimentalmente uma planta (tabuleiros confinados) para a disposição no solo de efluentes de reatores anaeróbios, tendo em vista o reaproveitamento de águas residuárias na produção de biomassa vegetal para ração animal, no semi-árido da Região Nordeste, o qual se caracteriza, em geral, por apresentar solos rasos com base cristalina (impermeável). Em termos globais, os tabuleiros apresentaram uma eficiência muito boa na remoção de DQOt (média de 53%), DQOf (média de 52%), COT (média de 54%) e sólidos suspensos (médias superiores a 70%), com concentrações médias no efluente de 53 mgdqot/l, 35mgDQOf/L, 8,0mgCOT/L e 7,5mgSS/L. A remoção de nutrientes como nitrogênio amoniacal (média superior a 94%) e fósforo (média de 91%). O processo se mostrou bastante eficiente na remoção de Coliformes Fecais, sendo excelente na maioria das medições (valores abaixo de 1000 UFC/100ml). A produção de biomassa no tabuleiro irrigado com água residuária tratada, com relação ao tabuleiro testemunha, foi da ordem de 17% a mais para a matéria verde e 24%. PALAVRAS-CHAVE: Escoamento Subsuperficial; Disposição no solo; Remoção de Nutrientes. INTRODUÇÃO A técnica de disposição controlada de água residuária no solo, como pós-tratamento, tem se mostrado um método eficaz e apropriado de disposição final de efluentes tratados em regiões semi-áridas, onde os recursos hídricos são muito escassos, dado que aporta uma série de vantagens a saber: o benefício agrícola, o baixo ABES Trabalhos Técnicos 1

2 investimento, o pequeno custo de operação, o baixo consumo de energia e, principalmente, o impedimento de descargas de substâncias em corpos d água, os quais, no caso da região semi-árida nordestina, constituem-se quase que exclusivamente de reservas hídricas dos aluviões de rios secos que significam praticamente os únicos aqüíferos disponíveis para as populações rurais que vivem à jusante das cidades. A área do sertão nordestino denominada de polígono das secas em sua quase totalidade está formada por solos rasos, devido ao cristalino, o que significa que nessa zona todo o escoamento subterrâneo é, salvo raras exceções, subsuperficial. Também, em quase sua totalidade, as cidades pequenas e médias estão situadas às margens dos rios, em geral secos, mas que possuem um aluvião no qual estão localizadas as reservas hídricas de sobrevivência do sertanejo. Com os novos programas de adutoras para abastecimento humano dessas cidades impulsionados nos últimos anos quase todas estão sendo dotadas, também, de redes de esgotamento sanitário e, principalmente, de sistemas de tratamento quase sempre precários que fazem com que os efluentes cheguem aos aluviões praticamente brutos, levando aos ribeirinhos que vivem a jusante dessas cidades um problema de contaminação que antes não tinham ao único aqüífero que eles dispõem. Dessa forma, a disposição controlada no solo, no momento desenvolvida no PROSAB-RN, permite que ao percolar subsuperficialmente no terreno os efluentes sofram tratamento no interior do solo, fazendo-o se comportar como camada filtrante. Isso possibilita as ações de adsorção e as atividades dos microrganismos, os quais usam a matéria orgânica contida nos despejos como alimento, convertendo-a em matéria mineralizada (nutrientes) que fica à disposição da vegetação. Essas matérias mineralizadas são muito convenientes na recuperação dos solos agrícolas, proporcionando, no caso dos efluentes líquidos dispostos no sistema solo-plantas, reflexos positivos nas condições sócio-econômicas regionais, sendo assim muito adequadas à realidade nordestina, principalmente, devido à sua alta relação benefício/custo. Essa técnica de disposição no solo também é eficiente na remoção de patogênicos e se constitui numa atividade essencialmente de reciclagem do solo e da água e por demais adequada à realidade acima descrita. No presente trabalho apresentamos o estudo da disposição de água residuária no solo pelo método do escoamento subsuperficial, aplicado no pós-tratamento de efluentes de sistemas de tratamentos anaeróbios, em tabuleiros inclinados confinados (bacias confinadas com escoamento subsuperficial) dotados de cobertura vegetal. O objetivo principal é avaliar experimentalmente uma planta (tabuleiros confinados) para a disposição no solo de efluentes de reatores anaeróbios, tendo em vista o reaproveitamento de águas residuárias na produção de biomassa vegetal para ração animal, no semi-árido da Região Nordeste, o qual se caracteriza, em geral, por apresentar solos rasos com base cristalina (impermeável). MATERIAIS E MÉTODOS O sistema desenvolvido vem sendo experimentado há cerca de dois anos, sendo composto por três planos inclinados (tabuleiros) sendo um deles o controle (testemunha). Dois módulos foram confinados com lona de PVC de 200 mícrons, em dupla camada, recebendo como enchimento uma camada de 30cm de espessura de solo franco arenoso com algumas modificações ao longo das fases abaixo descritas. Os módulos confinados, denominados T3 e T4 apresentam no sentido longitudinal declividade de 1% e 6%, respectivamente, e medem 3,50m de largura por 10,00m de comprimento, totalizando uma área de 35,00m². O módulo de controle (T5), sem confinamento, tem declividade de 6% e uma área total de 21,00m² (3,50m x 6,00m). O solo, do tipo areia franca, apresenta uma composição na qual 88% dos componentes são de areia quartzosa média de diâmetro efetivo 0,18mm e 12% de argila. Foram instalados dois drenos de fundo, estando os mesmos localizados, respectivamente, a 5,00m e 10,00m da cabeceira, ambos com a finalidade de promover a saída do efluente e tomada de amostras. O sistema está em operação de calibração desde junho de 1998 e em operação sistemática a partir de abril de Os experimentos aqui apresentados referem-se ao período de abril/99 a agosto/2000, sendo dividido em quatro fases distintas: abril a outubro/99 (fase 1), novembro/99 a março/2000 (fase 2), abril a julho/2000 (fase 3) que, por sua vez, foi dividida em duas sub-fases e agosto/2000 (fase 4). Cada fase teve início após os cortes de avaliação de produtividade realizados, e se caracteriza por mudanças na taxa de aplicação e nos turnos de rega (aplicação/descanso). 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 Da fase 1 até a primeira sub-fase da fase 3 (abril/2000), a cobertura vegetal era constituída unicamente pelo Capim Elefante (Pennisetum purpureum). Na segunda sub-fase da fase 3, foram feitas algumas modificações no tabuleiro T3. O solo foi substituído por uma areia quartzosa de aluvião de rio com diâmetro médio de 0,24mm e a espessura da camada foi reduzida para 20cm, intercalado com septos de material argiloso em zig-zag de forma a permitir um maior tempo de contato água-solo-planta. A inserção dessas chicanas de material argiloso, dispostas no sentido transversal ao fluxo proporciona um caminhamento mais longo, de maneira que o percurso chega a oito vezes o comprimento do tabuleiro. Foi construído outro módulo de controle, denominado T3c, com as mesmas características do tabuleiro T3, porém numa dimensão menor (3,50m x 3,50m), perfazendo uma área total de 12,25m². Nestes módulos foi introduzida pela primeira vez a cultura de milho (Zea mays). O milho (Zea mays) procede originariamente da região andina da América Central. É um dos cereais mais importantes tanto para o consumo humano como animal, sendo cultivado para grãos e forragem. A cultivar utilizada foi AG-405, um híbrido duplo, precoce, de grãos laranja semiduro. O plantio foi realizado no dia 26/05/2000, em covas abertas manualmente, onde foram distribuídas cerca de 15 sementes por metro quadrado. Aos 109 dias após a semeadura foram retiradas, ao acaso, 10 plantas de cada módulo (T3 e T3c), nas quais foram realizadas medidas de altura da planta e peso de raiz. Considerou-se como área útil do tabuleiro T3 os primeiros 12,25m² (3,50m x 3,50m), equivalente à área do módulo de controle (T3c). Os tabuleiros confinados foram alimentados com o efluente de um sistema de tratamento anaeróbio composto de tanque séptico de câmaras em série, um pequeno filtro de pedra, de fluxo ascendente, acoplado ao tanque séptico e quatro filtros anaeróbios, afogados, em paralelo, dotados com diferentes tipos de enchimentos. Para se obter um termo comparativo da produção vegetal, o módulo testemunho (T5) foi alimentado com água potável, sem adição de nutrientes, pelo sistema xique-xique de irrigação localizada, sendo submetido ao mesmo turno de rega adotado para os tabuleiros confinados. Visando beneficiar o processo de nitrificação, adotou-se de abril a outubro/99 (fase 1), um ciclo operacional de três dias consecutivos de aplicação, seguidos de igual período de descanso, recebendo, por turno de rega, uma carga hidráulica contínua da ordem de 20mm/dia (20 litros/m².dia), alimentados a partir de microtubo de PVC rígido de 5mm de diâmetro. Num primeiro ajuste, para uma melhor racionalização, no período de novembro/99 a março/2000 (fase 2), o ciclo operacional foi reduzido para dois dias de aplicação contínua seguidos de cinco dias de descanso, recebendo, em média, uma carga hidráulica da ordem de 57mm/dia (57 litros/m².dia). No período de abril a julho/2000 (fase 3) foi dado um incremento à carga hidráulica aplicada, passando para 86mm/dia (86 litros/m².dia), mantido o ciclo operacional de dois dias de aplicação contínua seguidos de cinco dias de descanso. Durante essa fase o módulo T3 sofreu modificações e foi implantada uma nova cultura (milho AG-405), recebendo uma carga hidráulica da ordem de 29mm/dia (29 litros/m².dia) num turno de rega variável devido a ocorrência de precipitações pluviais (577mm em junho e 482mm em julho). Em agosto/2000 (fase 4) foram efetuadas mudanças no ciclo operacional com o intuito de beneficiar os processos de nitrificação/desnitrificação. Nesta fase adotou-se um ciclo para vinte e quatro horas, sendo 16 horas consecutivas de aplicação, seguidas de 8 horas de descanso (completando o ciclo diário), operação esta que se estende ao longo de 5 dias, seguidos de dois dias de descanso, recebendo o tabuleiro T3 uma carga hidráulica contínua, por turno de rega, da ordem de 29mm/dia (29 litros/m².dia) enquanto o T4 recebeu 50mm/dia (50 litros/m².dia). O estudo está fundamentado na análise de dados de Temperatura, ph, Alcalinidade, Sólidos Suspensos e Totais, Turbidez, Condutividade, DQO, COT, Nitrogênio amoniacal, Nitrito, Nitrato, Fósforo e Coliformes Fecais em amostras coletadas semanalmente, às 8:30 horas, para acompanhamento da eficiência de remoção de matéria orgânica, sólidos, patogênicos e nutrientes eutrofizantes. Os métodos de análises utilizados estão descritos no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater 19ª edição (1995). ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Para determinação da produtividade do capim, foram efetuados a intervalos pré-determinados, cortes de avaliação. RESULTADOS E DISCUSSÃO Apesar do afluente conter baixa carga orgânica, os módulos de escoamento subsuperficial, também denominados tabuleiros confinados apresentaram boa eficiência, conforme Tabela 1, com remoção complementar média de DQO t apresentando um mínimo de 46% (fase 3) no tabuleiro T4 a valores superiores a 50% nas fases 1, 2, e 4, com um máximo de 57% (fase 3) no tabuleiro T3. Para a DQO f a remoção mínima de 44% e 46% respectivamente (fase 2) nos tabuleiros T4 e T3, sendo superior a 50% nas fase 1, 2 e 4, com um máximo de 61% (fase 3) no tabuleiro T3. A remoção de COT teve um crescimento ao longo do tempo com as mudanças de fase o que significa que o ajuste do período de aplicação versus descanso e carga hidráulica foi uma operação de calibração bastante acertada. No caso dos Sólidos Suspensos o comportamento foi semelhante ao do COT, porém com resultados ainda mais significativos, com remoções superiores a 71% nas fases 1. 2 e 4 com máximo de 91% (fase 4). Quanto aos contaminantes biológicos o processo mostrou-se bastante eficiente na remoção de Coliformes Fecais, sendo excelente na maioria das medições, apenas apresentando alguns valores pontuais menos significativos quando ocorreram alguns fenômenos como intensidade de precipitação, etc. Tabela 1: Concentrações médias e eficiência de remoção de matéria orgânica Afluente Efluente Remoção (%) Parâmetro Fase Tab. 3 Tab. 4 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 3 Tab ,6 104,6 49,9 51,0 52,3 51,3 DQO t 2 118,3 117,3 59,6 52,7 49,6 55,1 3-1ª Sub-Fase 127,3 105,7 54,8 56,7 57,0 46,4 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 106,8-50,5-52, ,2-46,0-56,3 1 69,2 69,2 33,6 30,9 51,5 55,4 DQO f 2 79,1 78,1 42,2 43,9 46,6 43,8 3-1ª Sub-Fase 91,8 67,5 35,5 31,5 61,3 53,3 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 67,3-37,5-44, ,2-31,2-51,4 1 21,4 21,4 10,3 10,9 51,7 49,0 COT 2 16,7 16,7 10,3 9,4 38,4 43,6 3-1ª Sub-Fase 16,0 11,8 5,7 5,1 64,3 56,5 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 12,0-2,5-78, ,0-3,5-76,5 1 24,4 25,7 13,7 15,0 44,0 41,5 SS 2 24,2 22,8 8,9 6,7 63,1 70,5 3-1ª Sub-Fase 20,8 16,8 4,4 2,1 78,7 87,5 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 16,5-14,1-14, ,6-1,7-91,8 1 2,2x10 5 2,2x10 5 6,2x10 2 1,4x ,71 93,69 Coliformes 2 5,9x10 5 5,9x10 5 7,0x10 1,7x ,99 99,97 Fecais 3-1ª Sub-Fase 1,3x10 7 3,5x10 6 1,3x10 4 2,1x ,91 99,99 UFC/100ml 3-2ª Sub-Fase 2,1x10 6-7,8x , ,0x10 7-5,9x ,92 Os resultados de remoção de nitrogênio amoniacal e nitrato, mostram que houve decréscimo de nitrogênio amoniacal (em média 95%), enquanto os valores de nitrato apresentaram acréscimos em todas as fases de 22%, havendo no entanto uma redução bastante significativa na última fase (171% parta 56%). Quanto à remoção de fósforo, acima de 90%, foi significativamente superior à do nitrogênio, muito acima dos 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 valores indicados pela literatura, o que representa uma eficiência muito boa do sistema empregado. A Tabela 2 mostra de forma sintetizada a remoção de nutrientes. Tabela 2: Concentrações médias e eficiência na remoção de nutrientes Afluente Efluente Remoção (%) Parâmetro Fase Tab. 3 Tab. 4 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 3 Tab ,0 34,0 4,5 4,0 86,8 88,3 N. Amoniacal 2 27,2 27,2 0,7 0,7 97,3 97,4 3-1ª Sub-Fase 35,6 27,1 1,7 1,0 95,2 96,2 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 22,9-0,3-98,8 4-35,1-0,4-98,9 1 3,5 3,5 4,4 7,3-25,8-109,9 Nitrato 2 1,5 1,5 2,2 3,0-48,0-96,9 3-1ª Sub-Fase 1,5 1,0 3,0 2,8-101,2-170,8 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 1,0-2, , ,1-1, ,8 1 1,81 1,81 0,029 0,37 83,9 79,3 Fósforo 2 1,69 1,69 0,12 0,09 93,0 94,8 3-1ª Sub-Fase 2,18 1,9 0,19 0,04 91,5 98,1 (mg/l) 3-2ª Sub-Fase 1,83-0,09-95, ,31-0,04-98,2 Com respeito à produção de biomassa os tabuleiros T4 e T5 apresentaram uma produção média de matéria verde de 51,35 e 43,91 t/há.corte e de matéria seca 7,60 e 5,81 t/ha.corte, respectivamente, representando um aumento na produtividade do tabuleiro irrigado com água residuária tratada (tabuleiro T4), da ordem de 17% para a matéria verde e 24% para a matéria seca. Convém salientar que em abril/99, quando se iniciou essa etapa de acompanhamento da produtividade, os tabuleiros T3 e T4 foram replantados com mudas antigas (plantadas originalmente em julho/97) e que já haviam sido submetidas a diversos cortes, o que provocou uma redução em sua capacidade de perfilhamento, enquanto que no tabuleiro T5 (testemunha) foram plantadas cepas novas. A análise de variância dos dados de altura de planta e peso de raiz mostrou efeito significativo a 1 e 5% de probabilidade, respectivamente. Obteve-se em relação ao tabuleiro testemunha um incremento de 31% para a variável altura da planta e 370% para a variável peso da raiz. CONCLUSÕES O trabalho nos permite concluir, em resumo, que: Em termos globais, os tabuleiros apresentaram uma eficiência muito boa na remoção de DQOt acima de 50%, (apresentando um mínimo de 46% (fase 3) no tabuleiro T4 a valores superiores a 50% nas fases 1, 2, e 4, com um máximo de 57% (fase 3) no tabuleiro T3), DQOf (média de 52% e remoção mínima de 44% e 46% respectivamente - fase 2 nos tabuleiros T4 e T3, sendo superior a 50% nas fase 1, 2 e 4, com um máximo de 61% - fase 3 no tabuleiro T3), COT (média de 54%, com remoções superiores a 71% nas fases 1. 2 e 4 com máximo de 91% - fase 4) e sólidos suspensos (médias superiores a 70%), com concentrações médias no efluente de 53 mgdqot/l, 35mgDQOf/L, 8,0mgCOT/L e 7,5mgSS/L, constituindo-se numa solução muito boa para a região do semi-árido nordestino, tanto do ponto de vista ambiental como econômico; ABES Trabalhos Técnicos 5

6 A remoção de nutrientes como nitrogênio amoniacal (média superior a 94%) e fósforo (média de 91%) num afluente com baixa concentração em matéria orgânica significa uma eficiência bastante considerável, sendo devida, principalmente, ao contato da água residuária com a matriz solo e à sua capacidade-limite de adsorção, contando ainda com a participação ativa da cobertura vegetal; processo se mostrou bastante eficiente na remoção de Coliformes Fecais, sendo excelente na maioria das medições (valores abaixo de 1000 UFC/100ml), apenas apresentando alguns valores pontuais menos significativos quando ocorreram alguns fenômenos como intensidade de precipitação, etc.; A produção de biomassa no tabuleiro irrigado com água residuária tratada, com relação ao tabuleiro testemunha, foi da ordem de 17% a mais para a matéria verde e 24% a mais para a matéria seca, mostrando que o reuso planejado de efluentes, além do controle de poluição, implica em economia de água e fertilizantes, reciclagem de nutrientes e aumento da produção agrícola, representando um atrativo, principalmente para regiões áridas e semi-áridas, com limitados recursos hídricos, onde há necessidade de se conservar as águas naturais de boa qualidade para usos mais restritivos. Os resultados obtidos demonstraram que, para o milho, os rendimentos conseguidos foram significativamente superiores no cultivo com aporte de nutrientes contidos nas águas residuárias, o que indica que as necessidades de nutrientes da cultura podem, em parte, ser suprimidas pela aplicação de águas residuárias tratadas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ARAUJO, G.C.; CHERNICHARO, C.A.L.; VON SPERLINGI, M. Avaliação do pós-tratamento de efluentes de reatores UASB através de um sistema de aplicação superficial de esgotos no solo. Anais do VIII Simpósio Luso-brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. João Pessoa, AWWA/APHA/WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19 th edition. Washington, CAMPOS, J.R. et al. Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: ABES, p.: il. Projeto PROSAB. 4. HELLER, L.; CHERNICHARO, C.A.L. O tratamento de esgotos sanitários e a legislação brasileira sobre o uso e a classificação das águas. Anais do 1DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de tratamento de Água - V. I e II. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, Brasil, LUCAS FILHO, M.; PEREIRA, M.G.; MELO, H.N.S.; ANDRADE NETO, C.O. Estudo da remoção de matéria orgânica e nutrientes em bacias confinadas com escoamento subsuperficial. Anais do IX Simpósio Luso-brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, Abes, 2000, p.823 a MELLO, F.A.F. et al. Fertilidade do solo. São Paulo: Nobel, p. 7. PAGANINI, W.S. Disposição de esgotos no solo: (escoamento a superfpície). São Paulo: Fundo Editorial da AESABESP, p. 6 ABES Trabalhos Técnicos