DESEMPENHO DE FITOEXTRAÇÃO DA MACRÓFITA CYPERUS PAPYRUS EM WETLAND CONSTRUÍDO VERTICAL COM FUNDO SATURADO EMPREGADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO

DESEMPENHO DE FITOEXTRAÇÃO DA MACRÓFITA CYPERUS PAPYRUS EM WETLAND CONSTRUÍDO VERTICAL COM FUNDO SATURADO EMPREGADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO Giovanna Sánchez* Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental giovanna.sanchez@posgrad.ufsc.br Catiane Pelissari Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental catianebti@gmail.com Camila Maria Trein Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental camilatrein@yahoo.com.br Rodrigo de Almeida Mohedano Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental rodrigomohedano@gmail.com Pablo Heleno Sezerino Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental pablo.sezerino@ufsc.br Resumo O objetivo desse trabalho foi avaliar o potencial de fitoextração da macrófita Cyperus papyrus em termos de assimilação de nitrogênio e fósforo em um wetland construído vertical descendente com fundo saturado (WCVD-FS), operado sob baixo carregamento orgânico e com alimentação intermitente, aplicado no tratamento de esgoto doméstico, sob condições de clima subtropical. O sistema foi implantado em um condomínio residencial e tem capacidade para atender 2.200 pessoas, contudo, o mesmo encontra-se com 5% de sua capacidade total. O WCVD-FS (com área superficial total de 3.141 m 2 ) foi dividido em quatro quadrantes, e funcionava com alternância de dois quadrantes a cada 30 dias. Foram realizadas avaliações físico-químicas do afluente e efluente ao sistema, bem como, a avaliação das macrófitas referente as análises de nitrogênio e fósforo na parte

aérea (inflorescência ou umbela, caule e folhas). O sistema apresentou na fração líquida remoções médias globais de 79% para DQO e 89% para DBO. Para os parâmetros de nitrogênio amoniacal (N-NH4 + ) e fósforo ortofosfato (P-PO4 3- ) as remoções da fração líquida foram de 93% e 83%, respectivamente. Os teores de nitrogênio total encontrados nas macrófitas foram em média 24,20 mg.g -1 na umbela e 13,49 mg.g -1 no caule. Já os teores de fósforo total foram de 3,01 mg.g -1 na umbela e 1,69 mg.g -1 no caule para ambos quadrantes, não encontrando diferença significativa no seu desenvolvimento com a alimentação intermitente de esgoto aplicado. Palavras-chave: Tratamento de esgoto. Wetlands construídos. Macrófitas. Nitrogênio. Fósforo. 1 Introdução Dentre os sistemas naturais de tratamento de efluentes, uma das tecnologias mais promissoras são os sistemas de wetlands construídos, devido às suas características de simplicidade de construção, operação, manutenção e estabilidade dos processos envolvidos. Os sistemas tipo wetland construído são mundialmente empregados para o tratamento de diversos tipos de efluentes, sobretudo como alternativa sustentável para o tratamento descentralizado de esgotos. A eficácia do tratamento está diretamente relacionada com a interação entre as macrófitas, o material filtrante e os micro-organismos. Diferentes modalidades de wetlands construídos vêm sendo estudadas, dentre elas destacamse os wetlands construídos verticais descendentes com fundo saturado (WCVD-FS); os quais se caracterizam por proporcionar maior remoção de nitrogênio, buscando não somente nitrificação como é o caso dos wetlands construídos verticais descendentes, mas a nitrificação seguida de desnitrificação em uma única unidade (KIM et al., 2014). A maioria de estudos remetem-se aos aspectos de engenharia dos wetlands construídos e limitam-se à importância das macrófitas nesses sistemas. Segundo Brix et al. (1997) a vegetação desempenha um papel fundamental nos wetlands construídos, sobretudo pela transferência de oxigênio através das raízes e rizomas no fundo do leito de tratamento. Vários estudos vêm relatando que as macrófitas favorecem a remoção de nutrientes em wetlands construídos (BRIX, 1997; GREENWAY, 2007; VYMAZAL, 2013). Espécies ornamentais como Cyperus papyrus (papiro), Zantedeschia aethiopica (copo de leite), Cyperus isocladus (mini papiro), Canna indica (berí), Typha spp. (taboa), entre outras, estão sendo estudadas nos últimos anos, favorecendo a qualidade do tratamento e adicionando uma vantagem estética quando comparados com outros tratamentos (ZANELLA, 2008). Contudo, no Brasil existem poucas experiências com relação ao papel das macrófitas no tratamento das águas residuais nas inúmeras variações de wetlands construídos. Pesquisas no âmbito da botânica mostram que a parte aérea do Cyperus papyrus tem capacidade de acumular nutrientes. Pelo fato de ter metabolismo C4, esta macrófita apresenta alta produção de biomassa, cerca de 6 kg.m -2.ano -1, e uma capacidade de fitoextração de nutrientes

podendo atingir valores de 7,10 kg.ha -1.d -1 e 0,24 kg.ha -1.d -1 de nitrogênio e fósforo, respectivamente (MBURU et al., 2015). Diante disso, o objetivo deste trabalho foi avaliar o desenvolvimento do Cyperus papyrus em termos da fitoextração de nitrogênio e fósforo presentes em esgotos submetidos ao tratamento em um WCVD-FS, operado sob baixo carregamento orgânico e com alimentação intermitente. 2 Metodologia O estudo foi conduzido em um wetland construído vertical descendente com fundo saturado (WCVD-FS) que está em funcionamento há 9 anos, empregado para tratar o efluente produzido em um condomínio residencial localizado no município de Palhoça/SC. O WCVD-FS foi projetado para atender uma demanda condominial de 2.200 pessoas, mas atualmente recebe contribuição do 5% de sua capacidade. Esta unidade recebeu o efluente de um reator anaeróbio compartimentado (RAC), o qual operou como tratamento primário. O WCVD-FS possui uma área superficial total de 3.141 m 2, foi preenchido com 0,10 m de brita na zona de drenagem (fundo), 0,50 m de areia grossa (d10=0,3 mm e U=4,84), e 0,10 m de brita na camada superior, sendo que 0,20 m no fundo permanecem saturados. A macrófita utilizada foi Cyperus papyrus, conhecida popularmente como papiro. Esta unidade de tratamento foi dividida em quatro quadrantes devido a sua forma de alimentação (Figura 1). A alimentação foi realizada intermitentemente e ocorreu primeiramente em dois quadrantes transversais (quadrante 1 e quadrante 4), sendo alternando para outros dois quadrantes (quadrante 2 e quadrante 3) a cada 30 dias. Figura 1 Representação esquemática do WCVD-FS destacando a divisão por quadrantes e os pontos de amostragem. Fonte: Pesquisa de campo (2015).

Trein (2015) reportou, para este wetland, uma alimentação média diária de 18.065 L.d -1, distribuída em 4 alimentações diárias e taxa hidráulica de 11,6 mm.d -1 durante um monitoramento de 20 meses, realizado entre os meses de abril de 2013 até dezembro de 2014. Durante o período de novembro de 2014 a fevereiro de 2015, foram realizadas coletas mensais de esgoto afluente (P1) e efluente do WCVD-FS (P2) (Figura 2), bem como monitoramento da velocidade de crescimento das plantas e análises das concentrações de nitrogênio e fósforo na parte aérea das mesmas. Figura 2 Foto dos pontos de amostragem: (a) P1: Afluente do WCVD-FS e P2: Efluente do WCVD-FS. (b) Afluente do WCVD. (c) Efluente WCVD-FS. Fonte: Pesquisa de campo (2015). Foram realizadas coletas mensais no afluente e efluente do WCVD-FS para análises dos seguintes parâmetros: potencial hidrogeniônico (ph), alcalinidade, demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), demanda química de oxigênio (DQO), sólidos suspensos (SS), sólidos totais (ST), nitrogênio amoniacal (N-NH4 + ), nitrogênio nitrito (N-NO2 - ), nitrogênio nitrato (N-NO3 - ) e fósforo ortofosfato (P-PO4 3- ), em conformidade com o Standard Methods of Water and Wastewater Examination APHA (1998 e 2005), com exceção do nitrogênio amoniacal que foi analisado seguindo o Método de Vogel (1981). O monitoramento do crescimento das macrófitas foi realizado através da poda das macrófitas nos 10 cm acima do material filtrante. Escolheram-se aleatoriamente 10 plantas no quadrante 1 e outras 10 no quadrante 3 para monitoramento do crescimento da parte aérea das plantas (umbela, caule e folhas) (Figura 3), a fim de verificar se existem diferenças entre o desenvolvimento das plantas por quadrante devido à alternância dos períodos de repouso e alimentação. Essas plantas foram marcadas com fitas para facilitar sua identificação. O crescimento foliar foi avaliado através de medições mensais com auxílio de fita métrica.

Figura 3 Foto do crescimento e identificação das macrófitas ao longo do período de estudo. Fonte: Pesquisa de campo (2015). As análises nutricionais foram realizadas seguindo recomendações de Tedesco et al. (1995). A preparação das amostras foi feita pela secagem em estufa com circulação forçada de ar a 65-70o sem lavagem do material, seguida do processo de moagem. Os teores de nitrogênio e fósforo no tecido foliar das macrófitas foram calculados ao longo do desenvolvimento das macrófitas através da coleta de uma planta por quadrante a cada 30 dias. Aplicou-se análise de variância ANOVA a nível de 5% de probabilidade (p=0,05), a fim de identificar se o regime hidráulico operado no WCVD-FS tem influência na fitoextração de nutrientes pelas macrófitas. Dessa forma a análise estatística foi realizada entre as concentrações identificadas de nitrogênio e fósforo do tecido foliar das macrófitas do quadrante operando e as concentrações de nitrogênio e fósforo do tecido foliar das macrófitas do quadrante em repouso. 3 Resultados e Discussão Avaliação dos parâmetros físico-químicos afluente e efluente no WCVD-FS Na Tabela 1 estão apresentados os valores médios das concentrações dos parâmetros físicoquímicos obtidas nos dois pontos de amostragem do WCVD-FS.

A relação DQO/DBO do afluente do wetland foi em média 2,31, indicando se tratar de um esgoto com grande biodegradabilidade, como de um modo geral apresentam as características de esgoto doméstico (VON SPERLING, 1995). Tabela 1 Valores médios e desvio padrão (DP) das concentrações afluente e efluente do WCVD-FS durante o período de estudo (Novembro 2014 até Fevereiro 2015). Parâmetros *n=4 Ponto de amostragem 1 Afluente WCVD-FS Média ± DP Ponto de amostragem 2 Efluente WCVD-FS Média ± DP Porcentagem de remoção Ph 7,10 ± 0,12 6,58 ± 0,21 - Alcalinidade (mgcaco 3.L -1 ) 183,75 ± 62,99 95,00 ± 21,51 - SS (mg.l -1 ) 18,23 ± 4,40 2,71 ± 0,75 85% ST (mg.l -1 ) 243,34 ± 113,55 190,51 ± 107,48 22% DQO (mg.l -1 ) 152,88 ± 71,41 32,38 ± 14,35 79% DBO (mg.l -1 ) 124,58 ± 17,47 14,04 ± 4,38 89% + N-NH 4 (mg.l -1 ) 42,26 ± 18,32 2,85 ± 1,03 93% - N-NO 2 (mg.l -1 ) 0,07 ± 0,03 0,02 ± 0,01 - - N-NO 3 (mg.l -1 ) 0,08 ± 0,13 10,29 ± 2,49-3- P-PO 4 (mg.l -1 ) 13,80 ± 8,25 2,35 ± 0,41 83% *n=número de amostragens válidas Fonte: Autoria própria (2015). Sobre a fração nitrogenada, uma das formas de nitrogênio presente nos esgotos é o nitrogênio amoniacal, sendo a concentração média do afluente do WCVD-FS de 42,26 ± 18,32 mg.l -1 e no efluente do WCVD-FS de 2,85 ± 1,03 mg.l -1 o que representou 93% de eficiência de remoção. A remoção de nitrogênio em WCFV dá-se principalmente via transformação biológica (amonificação, nitrificação, desnitrificação), bem como a absorção pelas macrófitas. O processo de nitrificação foi verificado pelo aumento da concentração de N-NO3 - no efluente final do wetland, alcançando valor médio de 10,29 mg.l -1. A concentração média de ortofosfato no afluente do wetland foi de 13,80 ± 8,25 mg.l -1 e no efluente tratado 2,35 ± 0,41 mg.l -1 com remoção media porcentual de 83%. Desenvolvimento do Cyperus papyrus Durante o período de estudo, compreendido entre os meses de Novembro de 2014 até Fevereiro de 2015 a altura média observada para as macrófitas após 90 dias da poda foi de 108,40 cm para o quadrante 1 e de 146,90 cm para o quadrante 3. Na Figura 4, apresenta-se a altura média das macrófitas no decorrer do período avaliado.

No primeiro mês de desenvolvimento as plantas apresentaram a maior velocidade de crescimento em ambos os quadrantes, ocorrendo uma variação de 0,63 a 1,8 cm.d -1 no quadrante 1 e 0,97 a 2,13 cm.d -1 no quadrante 3 (Figura 4). Esses valores foram similares aos reportados por Solís (2014). O autor também avaliou a macrófita Cyperus papyrus em um wetland construído para tratamento das águas residuárias de um campus universitário, nesse estudo o wetland foi dividido em três quadrantes, alcançando taxas de crescimento de 0,5 a 1,1 cm.d -1 e 0,4 a 1,5 cm.d -1 no segundo e terceiro quadrante respectivamente, posteriormente a esses valores, as velocidades de crescimento diminuíram até a senescência das plantas. Figura 4 Desenvolvimento das macrófitas durante o período de estudo. Fonte: Autoria própria (2015). Destaca-se que, após 90 dias de estudo as plantas começaram a ser fortemente ameaçadas pelo crescimento descontrolado de espécies invasoras, que acabavam estrangulando a macrófita e ocasionando o seu tombamento. Desta forma, não foi possível continuar com as medições. Vymazal (2013) afirma que a informação sobre a presença de espécies invasoras e o efeito delas no desempenho do tratamento em wetlands, é muito incipiente. Considera-se como espécie invasora aquela que não foi intencionalmente plantada nos sistemas. Em um estudo realizado na República Tcheca encontraram-se 20 espécies invasoras em sistemas com 2 e 7 anos de operação. A presença dessas espécies poderia ser indicadora de elevado conteúdo de nitrogênio no material filtrante. Identificaram-se a presença de três espécies invasoras em toda a área superficial do WCVD- FS, sendo elas Ipomea tiliácea, Vernonia tweediana, Vernonia scorpioides e Bidens sp. Segundo

Vymazal (2013) avaliando três sistemas tipo wetland construído onde a espécie Phalaris foi completamente reduzida pelas espécies invasoras Urtica dioica e Epilobium hirsutum não apresentaram diferença significativa na performance do tratamento. As concentrações de nitrogênio total foram em média 25,46 mg.g -1 e 22,93 mg.g -1 de matéria seca na umbela e 13,45 mg.g -1 e 13,53 mg.g -1 de matéria seca no caule para os quadrantes 1 e 3, respectivamente (Tabela 2). Já os valores para concentrações de fósforo total foram em média 2,85 e 3,17 mg.g -1 de matéria seca na umbela e 1,46 e 1,92 mg.g -1 de matéria seca no caule para os quadrantes 1 e 3, respectivamente (Tabela 3). Não foi verificada diferença estatística para os quadrantes 1 e 3 quanto aos teores de nitrogênio e fósforo (p>0,05). Tabela 2 Valores médios e desvio padrão (DP) das concentrações de nitrogênio na parte aérea das macrófitas. Quadrante 1 3 Umbela Caule Período N (mg/g) N (%) N (mg/g) N (%) Média ± DP Média ± DP Média ± DP Média ± DP I (0-30 dias) 27,72 ± 4,55 2,77 ± 0,46 17,10 ± 1,19 1,71 ± 0,12 II (31-60 dias) 28,36 ± 1,59 2,84 ± 0,16 12,50 ± 2,45 1,25 ± 0,25 III (61-90 dias) 20,31 ± 1,57 2,03 ± 0,16 10,75 ± 0,63 1,07 ± 0,06 I (0-30 dias) 24,83 ± 3,59 2,48 ± 0,36 16,17 ± 1,4 1,62 ± 0,14 II (31-60 dias) 19,55 ± 1,03 1,96 ± 0,10 11,80 ± 1,78 1,18 ± 0,18 III (61-90 dias) 24,40 ± 5,16 2,44 ± 0,52 12,61 ± 1,82 1,26 ± 0,18 Fonte: Autoria própria (2015). Tabela 3 Valores médios e desvio padrão (DP) das concentrações de fósforo na parte aérea das macrófitas. Quadrante 1 3 Umbela Caule Período P (mg/g) P (%) P (mg/g) P (%) Média ± DP Média ± DP Média ± DP Média ± DP I (0-30 dias) 3,62 ± 0,32 0,36 ± 0,03 1,93 ± 0,26 0,19 ± 0,03 II (31-60 dias) 3,14 ± 0,12 0,31 ± 0,01 1,23 ± 0,07 0,12 ± 0,01 III (61-90 dias) 1,80 ± 0,15 0,18 ± 0,02 1,21 ± 0,09 0,12 ± 0,01 I (0-30 dias) 3,13 ± 0,29 0,31 ± 0,03 2,09 ± 0,22 0,21 ± 0,02 II (31-60 dias) 2,55 ± 0,16 0,26 ± 0,02 1,53 ± 0,05 0,15 ± 0,00 III (61-90 dias) 3,82 ± 0,17 0,38 ± 0,02 2,15 ± 0,19 0,21 ± 0,01 Fonte: Autoria própria (2015). Esta assimilação de nitrogênio na umbela das macrófitas foi similar à reportada por Odong et al. (2013) trabalhando com wetlands em escala experimental, quando comparadas com outras quatro espécies utilizadas no tratamento de águas residuais de matadouro. A umbela do Cyperus papyrus apresentou a mais alta concentração de fósforo alcançando valor de 3,9 mg.g -1 em matéria

seca, enquanto que no tecido foliar do Phragmites mauritianus alcançou-se valor de 39,70 mg.g -1 em matéria seca. Chale (1987) realizou um estudo para determinar a produção de biomassa e teores de nutrientes no Cyperus papyrus recebendo esgoto doméstico. As concentrações de nitrogênio encontradas foram de 4,8% na raiz, 8,4% no rizoma, 4,8% no caule e 6,2% na umbela em matéria seca. Para o caso do fósforo, as concentrações reportadas foram de 0,09% na raiz, 0,11% no rizoma, 0,10% no caule e 0,13% na umbela. Comparando os resultados para ambos nutrientes pode-se afirmar que o papiro apresentou maior assimilação do nitrogênio do que fósforo. Boar (2006) estudou o comportamento da espécie Cyperus papyrus num sistema natural no Quênia com diferentes níveis de saturação de fundo. Quando o nível da água encontrava-se 5 cm a baixo da superficie a planta desenvolvia-se satisfatoriamente, apresentando 0,47 ± 0,14% N e 0,06 ± 0,05% P no caule e 0,71 ± 0,21% N e 0,10 ± 0,06% P no rizoma; mas quando encontrava-se totalmente saturado as plantas não conseguiam germinar. Greenway (2007), em um estudo comparativo para determinar o conteúdo de nutrientes em diferentes espécies de macrófitas em wetland construído e um sistema natural, encontrou que o crescimento das plantas em wetlands construídos apresenta alto teor de N e P no tecido foliar. Comparando-se a parte aérea (folhas e caule) das plantas com a parte subterrânea (raiz e rizoma) obteve-se os seguintes valores em macrófitas emergentes Cyperus eragrostis 20,0 ± 9,6 mg.g -1 N e 3,7 ± 1,8 mg.g -1 P; Cyperus exaltus 15,0 ± 7,0 mg.g -1 N e 5,0 ± 4,0 mg.g -1 P, Typha sp 16,8 ± 10 mg.g -1 N e 4,0 ± 1,7 mg.g -1 P., Phragmites australis 17,3 ± 7,0 mg.g -1 N e 3,2 ± 1.4 mg.g -1 P entre outras. 4 Conclusões De acordo com os resultados obtidos para o WCVD-FS empregado no tratamento de esgoto doméstico, tomando-se como base a identificação dos teores de N e P na umbela e no caule das macrófitas, infere-se o seguinte: Os teores de N foram em média 24,20 ± 1,75 mg.g -1 N na umbela e 13,49 ± 0,62 mg.g -1 N no caule, para ambos quadrantes. Os teores de P foram em média 3,01 ± 0,08 mg.g -1 P na umbela e 1,69 ± 0,09 mg.g -1 P no caule, para ambos quadrantes. A altura média observada para as macrófitas após 90 dias da poda foi de 108,40 cm para o quadrante 1 e 146,90 cm no quadrante 3. Não se observou influência dos períodos de repouso e operação dos quadrantes sobre a fitoextração de nutrientes.

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