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ESCOLA SUPERIOR DE DESENVOLVIMENTO RURAL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL Estudo de desempenho de wetlands construídos no tratamento de água residual do campus da ESUDER, Município de Vilankulo Curso de Licenciatura em Engenharia Rural com especialização em Água e Saneamento Cristovão Horácio Come Vilankulo, Abril de 2019 Cristovão Horácio Come Estudo de desempenho de wetlands construídos no tratamento de água residual do campus da ESUDER, Município de Vilankulo Sob Supervisão de: dr. Timóteo Wiliamo (MSc) UEM-ESUDER Vilankulo 2019 Trabalho de Culminação de Curso a submeter no Departamento de Engenharia Rural da Escola Superior de Desenvolvimento Rural - Universidade Eduardo Mondlane, para obtenção do grau de Licenciatura em Engenharia Rural com especialização em Água e Saneamento. iii DECLARAÇÃO DE HONRA Eu, Cristovão Horácio Come, declaro por minha honra que o presente trabalho é fruto da minha investigação para a obtenção do grau de licenciatura no curso de Engenharia Rural com especialização em Água e Saneamento na Escola Superior de Desenvolvimento Rural da Universidade Eduardo Mondlane e que o mesmo não foi apresentado em qualquer outra instituição. Vilankulo, Abril de 2019 Assinatura ______________________________________ (Cristovão Horácio Come) iv DEDICATÓRIA Em gestos carinhosos dedico o presente trabalho ao meu pai Horácio Bernardo Come, a minha mãe Zélia Alexandre, a minha madrasta Raquel Januário, a minha tia Flórda Bernardo Poco, a minha irmã Agira Amisse e ao meu irmão Arcelino Horácio Bernardo. v AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus Pai pela vida, pela bênção, pela misericórdia, pela compaixão, pelo amor, pela oportunidade de aprender e pelos dons que o Senhor me tem proporcionado. Um especial agradecimento vai ao meu supervisor dr. Timóteo Wiliamo, MSc pelos ensinamentos que me despertaram interesse na matéria que se aborda no presente trabalho e por seguidamente ter aceitado dar-me acompanhamento na realização do mesmo. Outro agradecimento especial vai aos meus pais: Horácio Bernardo Come e Zélia Alexandre sem me esquecer da minha madrasta Raquel Januário. Digo, muito obrigado por vocês serem tão compressíveis. À minha segunda mãe Flórda Bernardo Poco também lhe agradeço bastante juntamente com a mana Agira Amisse. Se não fossem vocês, eu não sei onde estaria hoje! Mano Arcelino Horácio Bernardo, eu não sei como lhe agradecer mais velho mas eu sou muito grato por você! Aproveito também agradecer aos demais meus irmãos: Aida, Gildo, Sidónia, Neldo, Dalton, Bento, Hilarda, Nelva, Olinda, Odinência, Ussen, Mineiva e Ménio; sem me esquecer dos meus sobrinhos: Ércia da Clesia, Nércia da Zelinha, Gércia da Tánia, Orcélio e Yúzna. Agradeço também, à toda direcção da ESUDER por me proporcionar excelentes quadros docentes dotados de capacidades e excesso de vontade de dar ensinamentos. Neste contexto reagradeço em particular aos docentes do Departamento de Engenharia Rural (Eng. Julieta, MSc; dr. Wiliamo, MSc; dr. Fraydson; Eng. Darla, Eng. Guivala; Eng. Tangune, PhD; dr. Vine, PhD; dr. Lario, MSc; dr. Faria, MSc; e Dr. Chimene). Aos meus colegas da Engenharia Rural: Castene, Tino da Crisalda, João Mateus, Aldimiro, Julieta, Jacinto, Paulo, Heracleto, Zulfa, Ilidio, Winaldo, Abdul, Mandinho, Elcio e Meireles, o meu muito obrigado pelo carinho. E por fim, aos meus companheiros: José Poco, Aniceto Poco, Valter Assuate, Augusto da Costa, Neide Taimo, Izilda Mubasso, Sixepense Manuel, Rui Perengue, Xirazi, Clara da Gloria, Criola Queixa, Cármen Nhapulo, Leonel Macicame, Vicente, Tino da Crisalda, Jacinto Matsinhe, Jeremias Vilanculo, Bernardo Mamuque, Selso Herinques, Maida, João Mateus, Aldimiro Jorge, Vanildo Constantino, Khensane Muhai, Belquisse Almeida, digo muito obrigado família. vi LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS CF Coliformes fecais cm Centímetro CT Coliformes totais CO2 Dióxido de carbono DBO Demanda Bioquímica De Oxigénio DQO Demanda Química De Oxigénio EMA Empresa Moçambicana De Água ESUDER Escola Superior de Desenvolvimento Rural LNHAA Laboratório Nacional de Higienização de Alimento e Água l/d Litros por dia mg/l Miligramas por litro mS Microsimetro NMP/100mL Número mais provável em cada 100 mililitros de amostra N- NH3 - Nitrogénio na forma de amónia N-NH4 + Nitrogénio na forma de amoníaco NOX Nitritos e nitratos N-NO2 - Nitrogénio na forma de nitrito N-NO3 - Nitrogénio na forma de nitrato nt Porosidade total OD Oxigénio dissolvido °C Graus Celsius vii LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figuras Fig-1: Ilustração de uma wetland natural ....................................................................... 23 Fig-2: Ilustração de uma wetlands construída ................................................................ 23 Fig-3: Esquema de um sistema de fluxo superficial. ...................................................... 25 Fig-4: Esquema de tratamento de fluxo subsuperficial. ................................................. 25 Fig-5: Esquema de tratamento de fluxo vertical. ............................................................ 26 Fig-6: Mecanismos de remoção de nitrogénio em wetlands de fluxo subsuperficial ..... 28 Fig-7: Processos de transformação de fósforo em solos de wetlands construídos. ........ 30 Fig-8: Ilustração do local de estudo (campus da ESUDER) .......................................... 35 Fig-9:Ilustração das banheiras utilizadas no experimento .............................................. 37 Fig-10a) Planta baixa do sistema montado e 10b) corte longitudinal ............................ 38 Fig-11: Ilustração das camadas de material filtrante ...................................................... 38 Fig-12: Transplantio de alface na unidade experimental................................................ 39 Fig-13: Sistema wetland construído implantado ............................................................ 40 Fig-14: colecta das amostras........................................................................................... 43 Fig-15: Gráfico demostrativo da variação média do pH ao longo do período de tratamento ....................................................................................................................... 46 Fig-16: Gráfico demostrativo da variação média da temperatura ao longo do período de tratamento ....................................................................................................................... 48 Fig-17: Gráfico demostrativo da variação média do oxigénio dissolvido ao longo do período de tratamento ..................................................................................................... 49 Fig-18: Gráfico demostrativo da variação média da condutividade eléctrica ao longo do período de tratamento ..................................................................................................... 51 Fig-19: Eficiências de remoção de coliformes fecais nas unidades wetlands construídas com o decorrer do TDH .................................................................................................. 52 Fig-20:Eficiências de remoção de coliformes totais nas unidades wetlands construídas com o decorrer do TDH .................................................................................................. 53 viii Fig-21: Eficiências de remoção de DBO nas unidades wetlands construídas com o decorrer do TDH ............................................................................................................. 55 Fig-23: Eficiências de remoção de P nas unidades wetlands construídas com o decorrer do TDH ........................................................................................................................... 59 Fig-22: Eficiências de remoção do nitrogénio amoniacal, nitrito e nitrato nas unidades wetlands construídas com o decorrer do TDH ............................................................... 57 Tabelas Tab-1: Constituintes e mecanismos de remoção do sistema de wetlands construídas ... 27 Tab-2: Critérios para construção de wetlands construídas. ............................................ 32 Tab-3: Métodos utilizados para as análises amostrais e os respectivos locais de determinação ................................................................................................................... 44 ix LISTA DE APÊNDICES E ANEXOS Apêndices Apêndece-1: Amostras de água residual bruta ....................................................... LXVIII Apêndice-2: Amostras de água residual após 6 dias de tratamento ....................... LXVIII Apêndice-3: Sistema wetland construído e implantado ............................................ LXIX Apêndice-4: Determinação de alguns parâmetros físicos e químicos ....................... LXIX Apêndice-5: Valores médios da temperatura para efluente bruto e tratado pelo sistema wetland construído ...................................................................................................... LXX Apêndice-6: Valores médios de pH para efluente bruto e tratado pelo sistema wetland construído ................................................................................................................... LXX Apêndice-7: Valores médios de oxigénio dissolvido para efluente bruto e tratado pelo sistema wetland construído ......................................................................................... LXX Apêndice-8: Valores médios da concentração de coliformes fecais no efluente do sistema wetland construído e as respectivas eficiências de remoção ......................... LXX Apêndice-9: Valores médios da concentração de coliformes totais no efluente do sistema wetland construído e as respectivas eficiências de remoção ........................ LXXI Apêndice-10: Valores médios da concentração de BOD no efluente do sistema wetland construído e as respectivas eficiências de remoção ................................................... LXXI Apêndice-11: Valores médios da concentração de P no efluente do sistema wetland construído e as respectivas eficiências de remoção ................................................... LXXI Apêndice-12: Valores médios da concentração do nitrogénio na forma de nitritos, nitratos e amoníaco no efluente do sistema wetland construído ............................... LXXI Apêndice-13: Eficiências de remoção do nitrogénio na forma de nitritos, nitratos e amoníaco no efluente do sistema wetland construído .............................................. LXXII Anexos Anexo-1: Padrões nacionais de emissão de efluentes domésticos ........................... LXXII x GLOSSÁRIO Água residual Toda água descartada nas actividades humanas Esgoto Termo equivalente a água residual Afluente Termo equivalente a água residual que entra no sistema de tratamento Efluente Termo equivalente a água residual que sai do sistema de tratamento xi RESUMO Com o objectivo de garantir a valorização da água residual produzida no campus da ESUDER (pela reutilização de efluentes tratados) e minimização da utilização de água potável em actividades que não a demandam surge a necessidade de se efectuar um estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual da mesma instituição pelo facto de ser uma tecnologia de baixo custo de implantação, operação e manutenção. Assim, foi construído um sistema wetland com base em duas banheiras plásticas de formato elipsoidal com capacidade de 80.79 litros por cada que foram preenchidas por três camadas de brita n o 1, solo arenoso lavado e brita n o 3 e utilizou-se a cultura de alface (Lactuca sativa) para o monitoramento. Fez-se um sorteio aleatório de três tempos de detenção hidráulica (2 dias, 4 dias e 6 dias) nos quais a água residual bruta deveria ser tratada e foram feitas duas repetições para cada tempo e unidade de tratamento considerados, sendo que o sistema recebia afluente bruto das fossas sépticas do campus da ESUDER e o monitoramento foi feito com base na caracterização da água residual afluente e efluentes produzidos durante um período de 24 dias. Assim, foram colectadas 14 amostras para análises laboratoriais das quais duas (2) foram de água residual bruta e 12 de água residual tratada. Contudo, observou-se que a água gerada no campus da ESUDER tinha características de água residual doméstica, ou seja, continha 7.77, 23.55 o C , 3.23 mg/L, 3.59 mS, 4×10 5 NMP/100mL, 7×10 6 NMP/100mL, 1100 mg/L, 60.72 mg/L, 2.3 mg/L, 18.6 mg/L e 73.09 mg/L de pH, temperatura, oxigénio dissolvido, condutividade eléctrica, coliformes fecais, coliformes totais, N-NO3, N-NO2, N-NH4 e fósforo total respectivamente, onde, após o tratamento, os parâmetros temperatura, oxigénio dissolvido, condutividade eléctrica e o nitrogénio na forma de nitrito, nitrato apresentaram tendências de aumentar suas concentrações com o aumento de tempo de detenção hidráulica em ambas as unidades; e os parâmetros coliformes fecais, coliformes totais, demanda bioquímica de oxigénio, nitrogénio na forma de amoníaco e fósforo total apresentaram tendências de reduzir suas concentrações após o tratamento em ambas as unidades. Palavras-chaves: Água residual, tratamento, wetlands construídas, campus da ESUDER. xii Conteúdo Pag. I. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 15 1.1. Contextualização ................................................................................................. 15 1.3. Justificativa .......................................................................................................... 16 1.4. Objectivos ............................................................................................................ 17 1.4.1. Geral: ............................................................................................................... 17 1.4.2. Específicos: ...................................................................................................... 17 1.5. Hipóteses ............................................................................................................. 17 II. REVISÃO DE LITERATURA ........................................................................... 18 2.1. Água residual ....................................................................................................... 18 2.1.1. Classificação da água residual ......................................................................... 18 a) Água residual industrial ....................................................................................... 18 b) Água residual doméstica ...................................................................................... 18 2.1.2. Caracterização da água residual doméstica...................................................... 18 a) Condutividade eléctrica .......................................................................................18 b) Temperatura ......................................................................................................... 19 c) Potencial de hidrogénio (pH) ............................................................................... 19 d) Oxigénio dissolvido (OD) ................................................................................... 20 e) Microrganismos ................................................................................................... 20 f) Demanda química de oxigénio (DQO) ................................................................ 21 g) Demanda bioquímica de oxigénio (DBO) ........................................................... 21 h) Nitrogénio total .................................................................................................... 21 i) Fósforo total ......................................................................................................... 21 2.2. Sistemas de tratamento das águas residuais ........................................................ 22 2.3. Sistemas naturais (Wetlands) .............................................................................. 22 2.3.1. Classificação das wetlands ............................................................................... 22 a) Wetlands Naturais ................................................................................................ 22 xiii b) Wetlands Construídos .......................................................................................... 23 2.3.2. Classificação das wetlands construídas de acordo com a forma de disposição 24 a) Wetlands construídas de fluxo superficial ........................................................... 24 a) Wetlands construídas de fluxo subsuperficial ..................................................... 25 b) Wetland construída de fluxo vertical ................................................................... 26 2.3.3. Constituintes de wetlands construídas ............................................................. 26 a) Material filtrante .................................................................................................. 26 b) Microrganismos ................................................................................................... 27 2.3.4. Parâmetros de controlo e mecanismos de remoção de em sistema de wetlands construídas ...................................................................................................................... 27 c) Mecanismos de transferência de oxigénio ........................................................... 28 d) Mecanismos de remoção ou transformação do nitrogénio .................................. 28 e) Remoção e transformação do fósforo .................................................................. 30 2.4. Monitoramento das wetlands construídas............................................................ 32 2.5. Critérios para construção de wetlands construídas .............................................. 32 2.6. Cultura de alface (Lactuca sativa)) ..................................................................... 33 2.7. Reuso de água residual tratada ............................................................................ 33 2.8. Legislação Moçambicana sobre lançamento de efluentes ................................... 34 III. METODOLOGIA ................................................................................................ 35 3.1. Descrição do local de estudo ............................................................................... 35 3.2. População e amostra ............................................................................................ 35 3.3. Técnicas de colecta de dados ............................................................................... 35 3.3.1. Pesquisa bibliográfica ...................................................................................... 36 3.3.2. Levantamento de campo .................................................................................. 36 a) Construção das unidades experimentais .............................................................. 36 b) Preenchimento das unidades de tratamento: ........................................................ 38 c) Plantio e transplantio da cultura de alface ........................................................... 39 xiv d) Implantação do sistema experimental ................................................................. 40 3.4. Monitoramento dos sistemas wetlands ................................................................ 40 a) Caudal de aplicação ............................................................................................. 41 b) Monitoramento da qualidade dos efluentes ......................................................... 42 3.5. Colecta das amostras ........................................................................................... 42 3.6. Analises das amostras .......................................................................................... 43 3.7. Delineamento e análise estatística ....................................................................... 45 IV. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................ 46 4.1. Potencial hidrogénio (pH) ................................................................................... 46 4.2. Temperatura ......................................................................................................... 48 4.3. Oxigénio dissolvido ............................................................................................. 49 4.4. Condutividade eléctrica ....................................................................................... 50 4.5. Microrganismos ................................................................................................... 52 4.6. Demanda bioquímica de oxigénio ....................................................................... 55 4.7. Nitrogénio na forma de nitritos, nitratos e amoníaco .......................................... 56 4.8. Fósforo total ......................................................................................................... 58 V. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ........................................................... 60 5.1. Conclusões ........................................................................................................... 60 5.2. Recomendações ................................................................................................... 61 VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 62 ANEXOS E APÊNDICES ......................................................................................... - 67 - Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME INTRODUÇÃO UEM-ESUDER| 15 I. INTRODUÇÃO 1.1.Contextualização De acordo com Jefferson et al. (2004) a água residual é toda água descartada nas actividades humanas sendo ela um recurso reutilizável na agricultura, em descargas sanitárias, rega de jardim, lavagem de carros ou mesmo em fins potáveis dependendo da eficiência do sistema de tratamento a ela atribuída. Sallati (2011) diz que o aumento da demanda por água potável ao longo dos anos tem propiciado uma maior produção de água residual e, consequentemente, um incremento da poluição dos recursos hídricos além da má gestão hídrica que se associa ao facto de utilizar água potável em actividades que não a priorizam, ressaltando assim a necessidade de se desenvolver e aplicar tecnologias para o tratamento de águas residuais a fim de reutiliza-las ou descarta-las adequadamente aos corpos receptores. Para tratar águas residuais, Knupp (2013) afirma que a nível mundial são utilizadasdiversas tecnologias de sistemas convencionais e avançados que englobam processos físicos, químicos e biológicos mas apresentando uma limitação em países em vias de desenvolvimento devido ao custo associado a sua implantação, operação e manutenção, o que remete a necessidade de se investigar alternativas menos onerosas para o efeito. Gonsalvez (2003) diz que dentre os sistemas que se baseiam em processos biológicos, o tratamento de água residual por wetlands construídas têm sido aplicado em alguns países africanos como é o caso de África do Sul, Libéria e Malawi devido ao baixo custo tecnológico, bom desempenho no processo de tratamento e maior flexibilidade. Quanto ao tratamento de água residual em Moçambique, Unhabitat (2006) diz que a atenção virada a tal efeito é baixa, quer pelo fraco saneamento que ainda se verifica e/ou pelos custos elevados em desenvolvimento de tecnologias convencionais. Ficando nesta realidade envolvido o Município de Vilankulo onde, no campus da ESUDER por exemplo, as águas residuais produzidas são descartadas no solo sem prévio tratamento. Assim, o presente trabalho teve por objectivo estudar o desempenho de um sistema wetland construído no tratamento de água residual do campus da ESUDER. Julgou-se importante pelo facto de reduzir as cargas poluentes para os padrões estabelecidos no decreto 18/2004, a propor uma possibilidade de reutilização do efluente tratado, reduzindo a utilização de água potável em actividades que não a priorizam. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME INTRODUÇÃO UEM-ESUDER| 16 1.2.Problema de estudo Dado que a rega de culturas, jardim e descargas sanitárias são actividades de uso muito consumptivo de água e que nelas não se demanda obrigatoriamente água potável para a sua realização, a utilização dessa nestas actividades no campus da ESUDER torna-se um desperdício e consequentemente torna-se um possível indicador da má gestão hídrica institucional, enquanto por outro lado, o descarte de água residual não tratada em fossas sépticas na mesma instituição torna-se também um possível indicador da contaminação dos mananciais subterrâneos que provavelmente resulte da infiltração da mesma. Assim, como forma de solucionar o problema da má gestão hídrica institucional e poluição dos mananciais subterrâneos tem-se a seguinte questão: Será que as wetlands construídas não são capazes de tratar eficientemente a água residual do campus da ESUDER? 1.3.Justificativa Dado o contexto de escassez e deterioração dos recursos hídricos, a principal motivação para o desenvolvimento deste trabalho é fazer uma mitigação de poluição hídrica na fonte poluente e criar mecanismos de reaproveitar a água descartada no campus da ESUDER de modo a reduzir a utilização de água potável em actividades que não a exigem como é o caso da rega e descargas sanitárias. O princípio é implantar e estudar o desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus supracitado. Um sistema wetland construído com um bom desempenho no tratamento de água residual do campus da ESUDER pode reduzir o nível de contaminação ambiental (solos, água e ar) pela redução de emissão de poluentes contidos na água residual não tratada e pode incrementar boas práticas de gestão de água à medida que permitirá a redução da dependência por água potável para todas as actividades que se exercem na instituição devido a possibilidade de reutilizar a sua água residual tratada. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME INTRODUÇÃO UEM-ESUDER| 17 1.4.Objectivos 1.4.1. Geral: Estudar o desempenho de wetland construído no tratamento de água residual do campus da ESUDER 1.4.2. Específicos: Determinar os parâmetros físicos, químicos e microbiológicos da água residual produzida no campus da ESUDER; Medir o efeito de wetlands construídas no tratamento da água bruta do campus da ESUDER. 1.5.Hipóteses H0: As wetlands construídas não são capazes de tratar eficientemente a água residual do campus da ESUDER. H1: As wetlands construídas são capazes de tratar eficientemente a água residual do campus da ESUDER. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 18 II. REVISÃO DE LITERATURA 2.1.Água residual De acordo com Kletecke (2011), água residual é o termo utilizado para designar os despejos provenientes das diversas modalidades do uso e da origem das águas, tais como as de uso doméstico, comercial, industrial, as de utilidades públicas, as de áreas agrícolas, de superfície, de infiltração, pluviais, e outros efluentes sanitários 2.1.1. Classificação da água residual A luz do Von Sperling (2005), existem duas classificações principais para as águas residuais a saber: água residual industrial e doméstica. a) Água residual industrial A água residual industrial é proveniente de qualquer utilização de água para fins industriais, podendo ser extremamente diversos, pois adquirem características próprias em função do processo industrial empregado (Kletecke, 2011). b) Água residual doméstica Jordão e Pessoa (2014) ressaltam que a água residual doméstica por sua vez é aquela que provem principalmente de residências, edifícios comerciais, instituições ou quaisquer edificações com instalações de banheiro, lavandeiras, cozinhas, ou dispositivos de utilização de água para fins domésticos. Sua composição inclui essencialmente água de banho, urina, fezes, papel, restos de comida, sabão, detergentes e águas de lavagem. Segundo Knupp (2013), a água residual das fossas e proveniente das actividades de uma instituição de ensino está na categoria de água residual doméstica. 2.1.2. Caracterização da água residual doméstica De acordo com Von Sperling (2005) a água residual doméstica apresenta características físicas, químicas e biológicas, sendo que os parâmetros mais comuns para tal caracterização são: condutividade eléctrica, temperatura, potencial hidrogénio (pH), oxigénio dissolvido (OD), microrganismos, demanda química de oxigénio (DQO), demanda bioquímica de oxigénio (DBO), fósforo total (PT) e nitrogénio total (NT). a) Condutividade eléctrica Condutividade eléctrica é a medida da habilidade de uma solução aquosa para transportar uma corrente eléctrica. Ela fornece de forma indirecta o grau de sais Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 19 minerais presentes no resíduo líquido de saída em relação aos valores de entrada: quanto maior a concentração total e a valência desses iões, maior será a condutividade eléctrica (Von Sperling, 2005). De acordo com Knupp (2013), a condutividade eléctrica nas águas residuais é influenciada pela quantidade de sais dissolvidos presentes na mesma e valores altos deste parâmetro nas wetlands construídas podem reduzir o desenvolvimento de certos microrganismos que não toleram excesso de sais ao passo que valores baixos podem levar a ocorrência do inverso. b) Temperatura A temperatura da água é um dos factores mais importantes na selecção das espécies porque afecta o crescimento microbiano. Os microrganismos não possuem meios de controlar sua temperatura interna, por isso, a temperatura interior das células é determinada pela temperatura ambiente externa (Von Sperling et al., 2003). Anjos (2003) afirma que o efluente da wetland construída apresenta temperatura aproximadamente igual à temperatura do ar, uma vezque há um balanço entre as formas de transferência dominantes: ganhos através da energia solar e perdas através de energia evaporativa. O controlo da temperatura é importante porque à medida que a temperatura se eleva as taxas das reacções físicas, químicas e biológicas aumentam, diminuem a solubilidade dos gases (ex: oxigénio dissolvido) e aumentam as taxas de proliferação de gases com odores desagradáveis (Von Sperling, 2005). c) Potencial de hidrogénio (pH) De acordo com Von Sperling (2005), o pH representa a concentração de iões hidrogénio H+ (em escala antilogaritmo), dando uma indicação sobre a condição da água quanto às características de acidez, neutralidade e alcalinidade. Esse valor varia de 0 a 14 e diz-se ácido se estiver abaixo de 7, neutro se for igual a 7 e alcalino se estiver acima de 7. A concentração de iões hidrogénio (pH) influencia nas transformações bioquímicas, afectando o equilíbrio das formas de ácido e bases ionizadas e não ionizadas, e na solubilidade de determinados gases e sólidos (Jordao e Pessoa, 2005). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 20 De acordo com Knupp (2013), os valores de pH quando afastados da neutralidade tendem a afectar as taxas de crescimento dos microrganismos envolvidos no tratamento de águas residuais. Existem microrganismos responsáveis pelo tratamento biológico das wetlands construídas que sobrevivem somente em ambientes com pH entre 4,0 e 9,5, enquanto os microrganismos desnitrificantes preferem os ambientes com pH entre 6,5 a 7,5, e os nitrificantes preferem pH igual ou maior que 7,0 d) Oxigénio dissolvido (OD) O oxigénio dissolvido é vital para os organismos aeróbios. Durante a estabilização da matéria orgânica, as bactérias fazem uso do oxigénio nos seus processos respiratórios, podendo causar uma redução da concentração de oxigénio do meio. Caso o oxigénio seja totalmente consumido, o ambiente passa a ser anaeróbio (ausência de oxigénio) (Von Sperling, 2005). Segundo Vymazal (2005), dentro das wetlands a concentração de oxigénio dissolvido na água é influenciada pela temperatura, sais dissolvidos presentes, actividades biológicas, meio suporte e a taxa de aplicação do efluente. O oxigénio residual dissolvido, contido no fluxo de alimentação das wetlands construídas é suplementado pelo oxigénio transferido a partir da atmosfera, pela superfície da água e por transporte convectivo a partir de folhas e caule das plantas. A maior parte do oxigénio transportado é utilizado pelas raízes e rizomas para a sua respiração e o excedente é liberado oxigenando sua rizosfera. e) Microrganismos De acordo com Knupp (2013), os microrganismos passiveis de serem encontrados na água residual são os vírus, as bactérias, os protozoários e os helmintos. Alguns destes microorganismos são responsáveis pela transmissão de diversas doenças e podem estar associadas ao lançamento de água residual em um corpo de água receptor. Von Sperling (2005) diz que na água residual estes organismos podem ser quantificados pela contagem das colónias dos seus indicadores que são os coliformes fecais e os coliformes totais, onde na água residual doméstica, a concentração destes por sua vez, varia de 10 6 -10 9 e 10 7 -10 10 para coliformes fecais e totais respectivamente. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 21 f) Demanda química de oxigénio (DQO) A luz de Von Sperling (2005), a DQO é a quantidade de oxigénio necessário à oxidação química dos poluentes presentes na água residual, tanto os biodegradáveis bem como os ou não. Em termos numéricos, o valor da DQO é maior do que a DBO. A razão entre a DQO/DBO5,20 pode fornecer indicações sobre a biodegradabilidade de um efluente, valores desta razão na faixa de 1,5 a 2,5 sugerem que os poluentes presentes no efluente são maioritariamente biodegradáveis. Valores acima de 5 sugerem que a presença de compostos não biodegradáveis é acentuada. g) Demanda bioquímica de oxigénio (DBO) De acordo com Vymazal (2005), a demanda bioquímica de oxigénio (DBO) é a quantidade de oxigénio requerida para oxidar bioquimicamente os compostos orgânicos biodegradáveis numa massa líquida. O teste de DBO é longo e para se ter uma resposta mais rápida convencionou-se realizá-lo em cinco dias. Esse valor é denominado DBO5,20, que corresponde ao oxigénio consumido na degradação da matéria orgânica em cinco dias, a uma temperatura de 20°C. h) Nitrogénio total O Programa de Saneamento de Brasil (PROSAB, 2009) afirma que o nitrogénio no meio aquático pode estar presente em seis formas principais nas águas residuais, como nitrogénio orgânico, gás nitrogénio (N2), amónia (N-NH3 - ), amoníaco (N-NH4 + ), nitritos (N-NO2 - ) e nitratos (N-NO3 - ). A decomposição aeróbia de nitrogénio orgânico e amónio produz nitrito que eventualmente se converte em nitrato durante a nitrificação. Altas concentrações de nitrato podem indicar poluição de nitrogénio orgânico. Entretanto, o nitrogénio total é um parâmetro cuja legislação Moçambicana estabelece limites para sua emissão em corpos receptores. i) Fósforo total O fósforo é um elemento essencial para o funcionamento dos sistemas biológicos de todos os organismos vivos. Ao contrário do nitrogénio, cujo reservatório é o ar, a fonte de fósforo na natureza é a litosfera. Sua liberação natural ocorre principalmente por meio de erosão do solo, num processo lento em que parte do fósforo é transportado para hidrosfera (Olijnyk, 2008). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 22 O fósforo total na água residual doméstica apresenta-se na forma de fosfatos, orgânicos e inorgânicos, a fracção orgânica é de origem fisiológica e a fracção inorgânica é proveniente dos detergentes e outros produtos químicos de usos domésticos. Estima-se que o fósforo originário dos detergentes pode representar até 50% da concentração do fósforo total na água residual doméstica (PROSAB, 2009). 2.2.Sistemas de tratamento das águas residuais De acordo com Environmental Protection Agency (EPA, 1997), os sistemas de tratamento de água residual podem ser naturais (wetlands), convencional (lagoas de estabilização) e sistemas avançados (lodos activados). Assim, o presente estudo dá mais enfâse aos sistemas naturais visto que é o seu objecto de estudo. 2.3.Sistemas naturais (Wetlands) De acordo com Olijnyk (2008), wetland é um termo utilizado para denominar qualquer ecossistema alagado ou áreas de transição entre o terrestre e aquático. Estes ecossistemas são também conhecidos como brejos, banhados, pântanos, várzeas e manguezais, desde momento que fiquem parcialmente ou totalmente inundados durante o ano. Elas têm a capacidade de transformar poluentes presentes em águas residuais, em produtos inofensivos ou em nutrientes para a comunidade biológica local. 2.3.1. Classificação das wetlands a) Wetlands Naturais Segundo Anjos (2003), as wetlands naturais são aquelas que se destacam entre os processos de autodepuração por serem áreas inundadas constantes ou intermitentes, que desenvolveram uma vegetação adaptada à vida em solos alagados. Neles a água, o solo e os vegetais formam um ecossistema equilibrado, degradando a matéria orgânica, reciclando os nutrientes e consequentemente, melhorando a qualidade da água. Na figura-1 é apresentado um exemplo de uma wetland natural. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campusda ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 23 Fig-1: Ilustração de uma wetland natural Fonte: Bueno (2013) b) Wetlands Construídos As wetlands construídas, por sua vez, são ecossistemas artificiais que reproduzem as características de wetlands naturais, utilizando plantas aquáticas e substratos (brita, areia, bambu, casca de arroz, entre outros). São construídas de forma específica, com o objectivo de tratar água residual, combinando processos químicos, físicos e biológicos. A figura-2 apresenta exemplo de wetlands construídas. (Anjos, 2003). Fig-2: Ilustração de uma wetlands construída Fonte: Bueno (2013). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 24 Kletecke (2011) afirma que esse tipo de sistema tem baixo custo de implantação, operação e manutenção em relação aos sistemas convencionais de tratamento de água residual, sendo geralmente sistemas adaptáveis em regiões com clima tropical, apresentando resultados satisfatórios no processo de tratamento. Para Santiago et al (2005), as wetlands construídas são consideradas filtros biológicos, que possuem microrganismos capazes de promover reacções de depuração da água, onde, pela sua diversidade genética e adaptabilidade funcional são capazes de degradar diversas substâncias presentes na água, promovendo assim, o seu crescimento. Esses sistemas quando comparado com as wetlands naturais têm a vantagem de oferecer flexibilidade quanto à escolha do local de implantação, definição das variáveis hidráulicas e mais facilidade no maneio da vegetação, objectivando obter maior eficiência de remoção de matéria orgânica e de nutrientes. 2.3.2. Classificação das wetlands construídas de acordo com a forma de disposição De acordo com PROSAB (2009), as wetlands construídas são classificadas de acordo com o tipo de fluxo adoptado. Os tipos básicos são: wetlands construídas de fluxo superficial, wetlands construídas de fluxo subsuperficial e wetlands construídas de fluxo vertical. a) Wetlands construídas de fluxo superficial De acordo com Kletecke (2011), os sistemas de fluxo superficial apresentam um fluxo ou lâmina livre sobre a superfície, com uma altura de lâmina de água tipicamente menor que 0,4 m, passando através da vegetação composta por plantas aquáticas emergentes, flutuantes ou submersas. Elas possuem uma melhor eficiência para remoção de matéria orgânica e de sólidos suspensos, pois tem maior tempo de retenção hidráulica. Na figura-3 é apresentado o esquema de tratamento de fluxo superficial. De acordo com PROSAB (2009), os wetlands construídas de fluxo superficial são adequados para receber efluentes de lagoas de estabilização, ou seja, para polimento através da retirada de nutrientes. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 25 Fig-3: Esquema de um sistema de fluxo superficial. Fonte: Salati (1998) a) Wetlands construídas de fluxo subsuperficial Segundo Knight & Wallace (2004), no sistema de fluxo subsuperficial não há uma coluna de água sobre a superfície do terreno, são essencialmente filtros lentos horizontais ou verticais preenchidos com brita e/ ou areia como meio suporte e onde as raízes das plantas se desenvolvem. O afluente passa pelo substrato (brita e/ou areia), onde entra em contacto com uma mistura de bactérias facultativas associadas com o substrato e com as raízes das plantas. A altura do substrato é tipicamente menor que 0,6 m. Este tipo de processo demonstra ter maior eficiência para remoção de nitrogénio e fósforo e de metais pesados, devido à grande variedade de reacções que ocorrem dentro do solo. Uma ilustração deste tipo de sistema é apresentada na figura-4. As wetlands de fluxo subsuperficial não oferecem condições para o desenvolvimento e proliferação de mosquitos e para o contacto de pessoas e animais com a lâmina de água. São muito utilizados no tratamento secundário de efluentes de pequenas comunidades, tanto nos Estados Unidos, África do Sul e na Europa (Knight & Wallace, 2004). De acordo com a PROSAB (2009), as wetlands de fluxo subsuperficial são adequadas para receber efluentes de tanques sépticos e reactores anaeróbios, e merecem cuidados adicionais no caso de efluentes de lagoas de estabilização, em virtude da presença de algas. Fig-4: Esquema de tratamento de fluxo subsuperficial. Fonte: Salati (1998) Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 26 b) Wetland construída de fluxo vertical As wetlands construídas de fluxo vertical são constituídas de filtros de escoamento vertical intermitente, preenchidas com brita ou areia e nível de água abaixo do meio suporte (subsuperficial), impedindo o contacto directo de pessoas e animais (figura-5) (Vymazal, 2005). Fig-5: Esquema de tratamento de fluxo vertical. Fonte: Salati (1998) Normalmente utilizam-se mais de uma wetland em paralelo, sendo que um deles recebe a batelada e os outros estão em repouso, o que permite a ocorrência da digestão e secagem do lodo na superfície e a manutenção das condições aeróbias da wetland (PROSAB, 2009). 2.3.3. Constituintes de wetlands construídas a) Material filtrante De acordo com Leitão et al. (2002), o material filtrante tem as seguintes funções: filtração, adsorção, degradação biológicas no decorrer do processo de tratamento de águas residuais e suporte para o desenvolvimento das plantas. Assim, para se alcançar tal efeito, podem ser utilizados suportes que variam de brita a solos com baixo teor de argila e devem apresentar simultaneamente permeabilidade elevada, alta capacidade de troca catiónica e alta actividade microbiológica. Solos com alta permeabilidade têm baixa capacidade de troca catiónica sendo necessário utilizar alguma mistura para atender as duas características ao mesmo tempo. Geralmente a argila e a matéria orgânica têm maior capacidade de troca catiónica e podem, quando necessário, serem incorporados em pequenas quantidades para aumentar a capacidade de troca catiónica do meio filtrante. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 27 b) Microrganismos Segundo Sezerino (2006), os microrganismos dos wetlands construídos são os principais responsáveis pela degradação dos poluentes devido à necessidade destes em obter energia e fonte de carbono para seu metabolismo e reprodução. Dentre estes destacam-se predominantemente as algas, os fungos, os protozoários e as bactérias. Segundo Olijnyk (2008), dos diversos microrganismos que habitam nos filtros plantados, as bactérias são as mais representativas, responsáveis pelos processos de decomposição da matéria orgânica, de nitrificação e desnitrificação Os protozoários são normalmente maiores que as bactérias e frequentemente tendem a absorvê-las como fonte de energia. 2.3.4. Parâmetros de controlo e mecanismos de remoção de em sistema de wetlands construídas De acordo com Philippi e Sezerino (2004), os parâmetros de controlo mais importantes numa wetland construída são: vazão (Q), temperatura da água, potencial de hidrogénio (pH), condutividade eléctrica (CE), oxigénio dissolvido (OD), microrganismos, demanda bioquímica de oxigénio (DBO), demanda química de oxigénio (DQO) e nutrientes (nitrogénio e fósforo). Outros factores como temperatura do ar, radiaçãosolar e pluviosidade também são actuantes. A tabela-1 apresenta um resumo dos mecanismos de remoção. Tab-1: Constituintes e mecanismos de remoção do sistema de wetlands construídas Constituintes Mecanismos de remoção Microrganismos Predação, morte natural, irradiação UV e excreção de antibiótico proveniente das raízes das macrófitas Fósforo Adsorção, utilização pela planta e adsorção e troca de cátions Nitrogénio Utilização pela planta Volatilização de amónia Material orgânico solúvel Degradação aeróbia e anaeróbia Amonificação, nitrificação e desnitrificação (biológico) Fonte: Cooper etal (1997). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 28 c) Mecanismos de transferência de oxigénio De acordo com Vymazal (2005), os mecanismos de transporte de oxigénio nas wetlands construídas são a convecção, a difusão e a transferência via plantas. O transporte de oxigénio via convecção acontece devido à existência de um gradiente de pressão entre o ar e o material filtrante. De acordo com Von Sperling (2005), se o tempo entre o início de aplicação do esgoto na wetland construída e a completa infiltração no maciço filtrante forem curtos, o volume da água residual aplicado será igual ao volume de ar que entrará no sistema via convecção. A entrada de oxigénio via difusão é em função da área superficial da wetland construída e do número de aplicações diárias de água residual. A transferência de O2 via plantas ocorre, pois estas plantas transportam o oxigénio atmosférico das folhas para as raízes através dos tecidos vasculares. d) Mecanismos de remoção ou transformação do nitrogénio Em suma, os mecanismos de remoção de nitrogénio nas wetlands construídas são apresentados na figura-6. Fig-6: Mecanismos de remoção de nitrogénio em wetlands de fluxo subsuperficial Fonte: Cassini (2006). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 29 Legenda 1- Amonificação 6 e 7- Desnitrificação 2- Imobilização (assimilação microbiana) 8- Fixação microbiológica do N2 3- Equilíbrio químico (depende de pH) 9 e 10- Absorção pela plantas 4 e 5- Nitrificação 11- Decomposição e complexação 4 e 7- Anammox 12- Lixiviação 13 e 14- Adsorção nas partículas do solo As principais rotas de conversão da matéria nitrogenada são (Von Sperling, 2007): Amonificação, onde o nitrogénio orgânico é parcialmente convertido a amónia, esse processo não altera a quantidade de nitrogénio na massa líquida e não consome oxigénio. Nitrificação, processo de oxidação da matéria nitrogenada, segundo o qual a amónia é oxidada a nitritos e estes a nitratos. Assimilação do nitrato e da amónia pelas plantas, esta reacção inclui a utilização de nitrogénio inorgânico pelo fitoplâncton. Desnitrificação, reacção onde o nitrato é reduzido a nitrogénio gasoso. Este processo acontece em condições anóxidas (ausência de oxigénio e presença de nitrato), os nitratos são utilizados por microrganismos heterótrofos como receptores de electrões nos processos respiratórios, em substituição ao oxigénio. Fixação do nitrogénio. Alguns organismos procariotas, cianobactérias e bactérias têm a capacidade de utilizar o nitrogénio molecular (N2) como fonte de nitrogénio para seu metabolismo, transformando-o em biomoléculas como proteínas (Esteves, 2011). A adsorção é a mobilização do nitrogénio por meio de processo físico onde a amónia não ionizada pode ser removida de uma solução por meio de reacções de adsorção com detritos e sedimentos inorgânicos que se aderem ao material filtrante nas wetlands construídas de fluxo subsuperficial. Actualmente, este processo não é considerado como forma de remoção permanente por depender da capacidade de troca iónica da amónia com os minerais do material filtrante. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 30 De acordo com Sezerino (2006) e Cunha (2012) as wetlands construídas de fluxo subsuperficial vertical promovem melhores taxas de nitrificação, sendo que a aplicação da água residual é feita na superfície do material filtrante de maneira intermitente, visando aumentar a taxa de transferência de oxigénio nas camadas. O meio filtrante é, geralmente, submetido a períodos curtos de alimentação e seguidos por períodos elevados de descanso, permanecendo não saturado a maior parte do tempo, o que favorece a nitrificação e a oxidação dos contaminantes presentes na água residual retidos na camada superficial do material filtrante. e) Remoção e transformação do fósforo Para Silva (2009), os processos de transformação dos compostos de fósforo em wetlands construídas estão relacionados à incorporação de matéria orgânica, liberação de fósforo solúvel a partir de ácidos orgânicos produzidos pela decomposição da matéria orgânica, adsorção, precipitação e absorção pela planta, imobilização microbiana, lixiviação e mineralização (figura-7). Sakadevan e Bavor (1998), afirma que em sistemas wetlands construídos de fluxo subsuperficial, a planta e os microrganismos são importantes para a remoção de fósforo em curto prazo porém, o maior potencial de remoção de P é via substrato ou solo. Fig-7: Processos de transformação de fósforo em solos de wetlands construídos. Fonte: Cassini (2006) Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 31 Legenda 1 e 2 – Decomposição 7 – Absorção pelas plantas 3 – Mineralização 8 – Incorporação na MO 4 – Imobilização microbiana 9 – Ácidos orgânicos produzidos liberam P solúvel 5 – Solubilização/desorção 10 – Lixiviação 6- Adsorsao e precipitação Adsorção e precipitação do fosfato De acordo com Nogueira (2003), com relação à retenção de fósforo por processo de adsorção a composição do meio suporte presente no leito é essencialmente importante, uma vez que no meio suporte, iões fosfato podem ser fixados por alumínio, cálcio e ferro. As comunidades de microrganismos se estabelecem de preferência na entrada e próximas ao fundo dos leitos, normalmente em microfilmes que envolvem o substrato. O mesmo autor constatou que 54% do fósforo que entrou no sistema ficou retido no substrato. Absorção de fósforo pelas plantas Esteves (2011) afirma não existir um consenso em qual o principal órgão responsável pela assimilação de fosfato nas plantas aquáticas visto que em alguns estudos informa- se que o fosfato é assimilado pelas raízes e distribuído por toda planta e outros indicaram que o fosfato é assimilado pelas folhas e distribuído por toda a planta, ou é absorvido tanto pelas folhas quanto pelas raízes. Imobilização microbiana A remoção de fósforo devido à imobilização microbiana é temporária com uma taxa de circulação muito pequena. O fósforo armazenado na biomassa microbiana retorna ao solo ou à água após a morte e decomposição dos microrganismos. Essa remoção biológica é favorecida com o aumento das concentrações de fósforo no solo e a alternância entre as condições aeróbias e anaeróbias. A remoção de fósforo por imobilização microbiana nos sistemas wetlands construídos pode variar entre 10% e 12% Von Sperling (2005). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 32 LixiviaçãoKnupp (2013) diz que a lixiviação do fósforo no solo ocorre predominantemente em formas orgânicas. O fósforo inorgânico tem sua mobilidade controlada pelo tipo e conteúdo de argilominerais e sesquióxidos de ferro e alumínio enquanto o fósforo orgânico apresenta movimentação livre no solo como constituinte de células microbianas e outros colóides orgânicos. 2.4.Monitoramento das wetlands construídas Von Sperling (1996) afirma que o monitoramento das wetlands construídas é feito mediante a caracterização das águas residuais e da vegetação. Para monitorar a quantidade da água são utilizados o volume e a vazão do afluente e do efluente. Para a qualidade da água são observadas as suas principais características biológicas (microrganismos); físicas (cor, turbidez e odor; temperatura); e químicas (pH, dureza, ferro e manganês, cloretos, nitrogénio, fósforo e oxigénio dissolvido, DQO e DBO) 2.5.Critérios para construção de wetlands construídas Knupp (2013) afirma que de forma a maximizar o desempenho de um sistema wetland construído é necessário conhecer os seus parâmetros de dimensionamento. De um modo geral, um critério para o dimensionamento de sistema de tratamento de águas residuais por wetlands construídas é a relação metros quadrado por pessoa. A tabela-2 apresenta os critérios para construção de wetlands construídas em relação ao tipo de fluxo. Tab-2: Critérios para construção de wetlands construídas. Parâmetros Fluxo superficial Fluxo subsuperficial Tempo de detenção hidráulica (dia) 5 a 14 2 a 7 Profundidade de substrato (cm) 10 a 50 10 a 100 Taxa de carregamento hidráulico (mm/dia) 7 a 60 2 a 30 Controle de mosquito Necessário Não é necessário Relação comprimento-largura 2:1 a 10:1 0,25:1 a 5:1 Área requerida (há/m³.dia) 0,002 a 0,014 0,001 a 0,007 Fonte: Kletecke (2011). Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 33 2.6.Cultura de alface (Lactuca sativa)) De acordo com Fernandes et al. (2002), a alface (Lactuca sativa) é uma planta herbácea, delicada, com caule diminuto, ao qual se prendem as folhas. Estas são amplas e crescem em roseta, em volta do caule, podendo ser lisas ou crespas, formando ou não uma cabeça, com coloração em vários tons de verde, ou roxa, conforme a cultivar. O sistema radicular é muito ramificado e superficial, explorando apenas os primeiros 0,25m do solo, quando a cultura é transplantada. Segundo Vieira & Cury (1997), o solo ideal para o cultivo dessa hortaliça é o de textura média, rico em matéria orgânica e com boa disponibilidade de nutrientes, sendo que a temperatura do ar é o elemento climático que exerce maior influência nos processos fisiológicos das plantas de alface, podendo acelerar ou retardar as reacções metabólicas. Pelo facto de a água residual conter excesso de matéria orgânica e nutrientes, Mazzols et al. (2003) ressalta que esta é uma planta emergente e geralmente utilizada em sistemas wetlands construídas para o tratamento de água residual devido a sua alta capacidade de fitorremdiação (capacidade de absorver os poluentes presentes na água). De acordo com Fahl et al., (1998), o cultivo é realizado normalmente com um espaçamento de 0,25 a 0,30 m, entre linhas e plantas, sendo feito em patamares ou em canteiros. O período de cultivo varia de 40 a 70 dias dependendo do sistema (sementeira directa ou transplante de mudas), época de plantio (verão ou inverno), cultivar utilizado e sistema de condução, no campo ou protegido. 2.7.Reuso de água residual tratada Segundo Costa (2010), o reuso de água é o aproveitamento do efluente após tratamento, podendo ser classificado em directo e indirecto, decorrentes de acções planejadas ou não. O reuso directo planejado ocorre quando os efluentes após tratamento adequado, são encaminhados directamente até o local de reuso, ao passo que o reuso indirecto pode ocorrer de forma não planejada, quando a água utilizada é descartada no meio ambiente, com ou sem tratamento, e novamente utilizada a jusante, em sua forma diluída, de maneira não intencional e não controlada; ou de forma planejada, quando o efluente tratado é descartado de forma planejada nos corpos de águas superficiais ou subterrâneos, para serem utilizados a jusante, diluído e de maneira controlada. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME REVISÃO DE LITERATURA UEM-ESUDER| 34 Mierzwa e Hespanhol (2005) enfatizam que qualquer que seja a estratégia de reuso adoptada, é de fundamental importância que a prática de reuso seja devidamente planejada, a fim de proporcionar os máximos benefícios. À luz de Costa (2010), o reuso pode ser destinado a fins potáveis e não potáveis. O reuso para fins potáveis ocorre em locais onde há escassez crónica de água e esta tecnologia se apresenta como única solução adequada. Nesse caso, o tratamento dessa água deve garantir a sua potabilidade. O mesmo autor sugere que o reuso urbano para fins não potáveis deve ser considerado como prioridade de aplicação por apresentar menores risco à saúde pública visto que o efluente não é utilizado para fins que exigem qualidade de água potável, tais como rega de jardins, lavagem de pisos e de veículos automotivos, descargas sanitárias, processos industriais e rega de campos agrícolas. Mierzwa e Hespanhol (2005) ressaltam que a qualidade da água após o tratamento definirá o reuso específico para a mesma ou vice-versa, estabelecendo no segundo caso, os níveis de tratamento recomendados para cada tipo de reuso. 2.8.Legislação Moçambicana sobre lançamento de efluentes A lei vigente no pais para o lançamento de efluentes em meios receptores é originaria do Ministério da Coordenação de Acção Ambiental (MICOAA), que de acordo com o decreto no18/2004 de 2 de Junho que fixou os padrões de emissão de poluentes à meio receptores. No anexo-1 são apresentados os valores limites para lançamentos de águas residuais em meios receptores, que foram estabelecidos no decreto supracitado. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 35 III. METODOLOGIA 3.1.Descrição do local de estudo O estudo foi desenvolvido no campus da ESUDER, situado a coordenadas 21º59’27.92S e 35º16’16.44L na zona de expansão no bairro 5 o Congresso do Município de Vilankulo (vide fig-8). Esse tem uma área superficial de 12.4 hectares, tem predominância de solo arenoso e esbranquiçado com baixa capacidade de retenção de humidade, não tem sistema de tratamento de águas residuais e nele ministram-se sete (7) cursos a nível de licenciatura. Fig-8: Ilustração do local de estudo (campus da ESUDER) Fonte: Google Earth (2018) 3.2.População e amostra O presente estudo refletia uma pesquisa experimental onde a população alvo foi a água residual gerada do campus da ESUDER e que foi coletada em fossas sépticas. Visto que a água é incontável e essa estava presente nas fossas sépticas do campus supracitado, convencionaram-se essas fossas como população. O campus possuía 7 (sete) fossas sépticas, sendo esse número reduzido o que deu possibilidade de trabalhar-se com toda a população para a coleta das amostras, ou seja, a amostra é igual ao número da população. 3.3.Técnicas de colecta de dados A técnica de colecta de dados empregue no presente estudo baseou-se fundamentalmente em duas etapas a destacar: pesquisa bibliográfica e levantamento de dados no campo por meio de uma observação directa, participante e que culminava com Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamentode água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 36 a análise e o processamento dos mesmos para posterior apresentação dos resultados e a respectiva discussão. Uma ilustração resumida do processo descrito é apresentada no fluxograma que se segue: METODOLOGIA Levantamento através da Internet Consulta bibliográfica de material físico Montagem e implantação do experimento Monitora- mento do sistema Colecta das amostras Análise das amostras Análise e Processamento de Dados 3.3.1. Pesquisa bibliográfica Segundo Serra (2003) pesquisa bibliográfica é o processo de busca, análise e descrição de um corpo de conhecimento em busca de resposta a uma pergunta específica e tem como objectivo verificar se textos relacionados ao assunto a ser estudado já foram publicados, esse assunto foi abordado e analisado em estudos anteriores. Esta fase foi possível através da consulta de obras na biblioteca da ESUDER, incluindo publicações e fontes documentais obtidas na internet como forma de contextualizar a diversificada informação encontrada durante a busca. 3.3.2. Levantamento de campo Essa actividade teve início com a montagem das unidades que por sua vez envolvia quatro (4) estágios: a) Construção das unidades experimentais A estação experimental é composta por duas unidades de filtros de fluxo subsuperficial vertical alinhados paralelamente e operados simultaneamente. Um dos filtros não foi plantado mas foi operado e manuseado sob as mesmas condições impostas ao filtro plantado e serviu como controle. Pesquisa bibliográfica Levantamento de Campo Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 37 As unidades experimentais foram feitas por meio de 2 (duas) banheiras plásticas comerciais de formato elipsoidal sendo que cada uma tinha, na base, diâmetros maior e menor de 600 mm e 400 mm respectivamente e na parte superior 775 mm e 550 mm de diâmetro maior e menor, também respectivamente (figura-9). A profundidade das banheiras foi de 315 mm o que totaliza uma área superficial de 0.2565 m 2 e um volume de 0.0808 metros cúbicos (80.79 litros). A razão da escolha deste tipo de material foi devido a sua capacidade de suportar o material filtrante, isto é, a composição brita e solo local, bem como a sua vantagem de não ser corrosivo, o que garante a não alteração das características do efluente a ser tratado, e pelo facto de ser um material de baixo custo de aquisição e fácil manuseamento. Fig-9:Ilustração das banheiras utilizadas no experimento De modo que o fluxo fosse subsuperficial vertical, na parte superior de cada banheira colocou-se uma tubagem PVC de 20mm que servia de fonte de entrada de efluente bruto a ser tratado e acoplou-se uma torneira plástica de 20mm de diâmetro na base das banheiras (figura-10) para a saída do efluente. A razão da escolha de este tipo de fluxo foi em função da não liberação de odores, o que poderia incomodar a população da ESUDER (local de implantação do experimento), foi também, em função de menor risco de contacto humano com águas residuais não tratadas e pelo facto de não necessitar de controlo de vectores, já que não há formação de lâmina de água na camada superior do sistema. Além disso é por ser um fluxo que apresenta melhores eficiências de tratamento de água residual em regiões com clima tropical, como é o caso de Moçambique. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 38 a) b) Fig-10a) Planta baixa do sistema montado e 10b) corte longitudinal b) Preenchimento das unidades de tratamento: Os materiais utilizados como substrato das unidades dos wetlands construídos seguiu cuidadosamente as especificações encontradas na literatura científica. As banheiras foram preenchidas com camadas de diferentes substratos até a altura de 275mm, sendo o nível de água mantido abaixo de 275mm. As dimensões e o material foram dispostos conforme a figura-11. Assim, os materiais filtrantes utilizados nos sistemas foram a brita número 3 (25-50mm) em 0.9 cm de espessura na primeira camada e solo local lavado de textura arenosa em 13 cm de espessura na segunda camada seguido novamente por outra camada de brita n o 1 porém, com 5.5 cm de espessura na camada superior. Cada unidade teve assim, uma borda livre de 4cm. Fig-11: Ilustração das camadas de material filtrante Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 39 c) Plantio e transplantio da cultura de alface A alface (Lactuca sativa) foi semeada na baixa de Chicome- Município de Vilankulo, em um alfobre de 0.5 x 0,5 x 0,20m, deixando-se 0,1m de borda livre, para evitar perdas de solo e de água durante a irrigação. Após a sementeira, o solo foi regado para facilitar a germinação e foi posteriormente coberto com capim de modo que reduzisse a perda de água no solo e nas plantas pela evapotranspiração. As sementes foram colocadas de uma forma espalhada e posteriormente cobertos com uma camada de solo de aproximadamente 1,5 cm. A água de irrigação foi proveniente da lagoa existente no mesmo local e, para manter a humidade do solo próxima à capacidade de campo, o canteiro foi irrigado uma vez por dia. A germinação ocorreu 9 (nove) dias após a sementeira e as mudas foram transplantadas 16 (dezasseis) dias após a germinação. Nos sistemas tradicionais de plantio de cultura, o espaçamento entre um sulco e outro geralmente é de 25 x 30cm. No sistema experimental, como a área era pequena e oval não foi possível adoptar essas medidas, tendo optando-se então, um espaçamento de aproximadamente 15 x 15cm o qual poderia fornecer alta densidade de raízes. Fig-12: Transplantio de alface na unidade experimental A escolha dessa espécie vegetal utilizada se baseou em seu potencial de fitorremediação, capacidade de sobreviver em solos inundados e também paisagístico. Além disso, optou-se por espécie que já é adaptada ao clima local e que pode gerar benefícios futuros pelo seu consumo. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 40 d) Implantação do sistema experimental O sistema foi implantado no campus da ESUDER onde, a montante do mesmo foi colocado um recipiente plástico de 92 litros, no qual acoplou-se, em sua base, uma tubagem de 20mm para a alimentação das unidades experimentais. O recipiente servia como caixa de passagem que tem por finalidade receber e distribuir a vazão de igual modo para as duas unidades experimentais. Este recipiente foi colocado a uma altura de 0.5 metros acima da localização das unidades experimentais de modo que a alimentação das mesmas fosse por gravidade devido à sua diferença de cotas. De salientar que na conduta a jusante do reservatório de alimentação acoplou-se um T para que fraccionasse a vazão, onde após isso, nas condutas de alimentação de cada unidade experimental adaptou-se uma válvula de gaveta de modo que regulasse o fluxo do escoamento da água. À jusante das unidades experimentais foram colocados dois recipientes plásticos de 5 litros por cada de modo que colectassem a água tratada. Uma demostração é feita na figura-13. Fig-13: Sistema wetlandconstruído implantado 3.4.Monitoramento dos sistemas wetlands Após a montagem e preenchimento das unidades experimentais procedeu-se a rega das mesmas com água da torneira durante 6 dias pelas 06 horas e 30 minutos como forma de garantir a adaptabilidade das plantas ao novo meio em que se encontravam. De salientar que nesta etapa, a mesma quantidade de água que era colocada na unidade com plantas, era também colocada na unidade sem plantas de modo a garantir mesmas Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 41 condições de humidade. No ato de rega, as torneiras de drenagem eram mantidas fechadas e a partir das 18 horas, essas eram abertas de modo que evacuassem toda água aplicada durante a rega até que houvesse necessidade de regar novamente, ou seja, elas eram mantidas abertas no intervalo das 18 às 06:30 horas durante os primeiros 06 dias, sendo que no sétimo dia essas foram deixadas abertas para evacuar toda água presente no sistema. O monitoramento dos processos foi realizado por meio de análises de amostras da água residual afluente e dos efluentes produzidos. A alimentação das unidades experimentais teve início no oitavo dia após o transplante das plantas, onde, teve uma taxa de aplicação hidráulica constante e intermitente em ambas as unidades. A operação foi iniciada em 02 de Setembro de 2018 pelas 06 horas e a vazão total inicial de operação foi de 34 l/d, distribuída igualmente entre as duas unidades de tratamento através de uma caixa de passagem (recipiente plástico de 92 litros). No entanto a cada colecta de amostras de água tratada, a vazão de entrada era medida e ajustada através de um recipiente plástico graduado a 100 ml e um cronómetro. O efluente escoava por gravidade através das camadas filtrantes constituintes do sistema wetland, saindo do sistema por uma torneira adaptada em sua base. Na sequência o efluente era recolhido em outro recipiente plástico para verificar os seus parâmetros físicos-químicos e microbiológicos após o tratamento. a) Caudal de aplicação A determinação do caudal a aplicar em cada unidade foi com base na equação do tempo de detenção hidráulica (eq. 1) do afluente nas unidades wetlands. Assim, visto que para as wetlands de fluxo subsuperficial o tempo de detenção do líquido nas unidades de tratamento varia de 2 até 7 dias, foras seleccionados aleatoriamente os seguintes: 2 dias, 4 dias e 6 dias e calculado o caudal necessário param cada caso. Onde: nt é a porosidade total devido a diversidade do material filtrante, que foi calculada pela equação 2. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 42 Assim, assumiu-se a porosidade de 0.60, 0.25, 0.35 para a brita n o 3, solo local e brita n o 1, respectivamente de acordo com as recomendações da NBR 7217/1987 para partículas com diferentes intervalos de diâmetro. Visto que a NBR 7217/1987 fornece porosidade em função do diâmetro das partículas, este foi determinado por meio de um paquímetro conforme sugere (Crites et al., 2005). Trabalhou-se com as recomendações da norma brasileira porque essas são as normas universais. Os V1, V2, V3 são os volumes das unidades de tratamento ocupados pela primeira, segunda e terceira camadas respectivamente. b) Monitoramento da qualidade dos efluentes A qualidade dos efluentes produzidos pela unidade wetland construída e controle do sistema foi monitorada por um período de 24 dias, equivalente ao tempo que sobrava para se completar um ciclo da cultura de alface dado que esse foi colocado 16 dias após a germinação e regado com água da torneira durante 6 dias após o transplante. É importante salientar que este período garante duas repetições de todo tratamento adoptado no experimento visto que foi adoptado 55 dias como período de ciclo de vida da cultura de alface pelo facto de esse ser o valor médio entre 40 e 70 dias proposto por Fahl et al., (1998) e que esses 24 dias foram contados a partir do dia em que se começou a se aplicar água residual bruta nas unidades experimentais. 3.5.Colecta das amostras As amostras de água residual bruta foram colectas em fossas sépticas do campus da ESUDER durante 4 (quatro) dias no intervalo das 05 as 06 horas por meio de uma cartilha e era posteriormente colocada em recipientes plásticos de 20 litros (baldes) (vide a fig-14.a). A cada dia enchia-se 3 (três) baldes, o que totaliza assim, 3 amostras de 20litros cada, ou seja, um volume total de 60 litros de água residual bruta. De salientar que após a colecta das amostras, estas eram posteriormente transportados para o sistema onde a água era misturada colocando-se na caixa de passagem onde, era retirada uma quantidade de 2L com auxílio de garrafas plásticas a que se destinaria à caracterização da água residual bruta. Essa etapa teve duas repetições. Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 43 As garrafas plásticas nas quais as amostras da água residual bruta eram colocadas, foram rotuladas, colocando-se o dia e hora de sua colecta e posteriormente colocados em uma geleira para conservação como forma de evitar que houvesse a alteração das características da água devido às variações instantâneas da temperatura ambiente. De referir que essas eram conservadas para posteriores análises laboratoriais e o mesmo procedimento foi feito para as amostras de água tratada. As amostras de água residual tratada foram colectadas também, com duas repetições e isso ocorreu directamente das torneiras de drenagem do efluente tratado (fig-14b) que foram adaptadas em ambas as unidades com o auxílio de garrafas plásticas de 500ml. Este procedimento teve uma duração de 6 dias sendo 3 (três) dias para cada repetição, no intervalo das 6 (seis) até 7 (sete) horas. De referir que as garrafas plásticas de colecta das amostras foram anteriormente lavadas por água destilada e a frequência de amostragem foi de dois, quatro e seis dias após a aplicação do esgoto bruto na caixa de passagem para cada repetição considera. a) Água bruta retirada na fossa séptica b) Água pós-tratamento Fig-14: colecta das amostras Em suma usou-se Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, publicado pela AWWA/ASCE, em 2005. 3.6.Analises das amostras Nessa etapa foram medidos alguns parâmetros físicos-químicos e microbiológicos que o experimento tinha por objectivo remove-los, a saber: demanda bioquímica de oxigénio, fósforo total, nitrogénio na forma de nitritos, nitratos e ião amoníaco, condutividade eléctrica, potencial hidrogénio, oxigénio dissolvido, coliformes fecais, coliformes totais Estudo de desempenho de wetlands construídas no tratamento de água residual do campus da ESUDER CRISTOVÃO COME METODOLOGIA UEM-ESUDER| 44 e temperatura do efluente. De salientar que esta quantificação foi realizada nos laboratórios da ESUDER, EMA e LNHAA (Laboratório Nacional de Higienização de Alimento e Água) e desse modo permitiram quantificar as cargas poluentes tanto em água residual bruta bem como em água residual tratada o que permitiu a determinação da eficiência de tratamento e avaliação do desempenho técnico do mesmo. Em resumo, as técnicas
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