Determinação dos mecanismos de transporte de Na+ em solo

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Determinação dos mecanismos de transporte de Na+ em solo 
arenoso residual da Formação Adamantina, Grupo Bauru (K), por 
meio de ensaios de coluna 
 
Vanessa Almeida de Godoy 
Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, vgodoy@sc.usp.br 
 
Lázaro Valentín Zuquette 
Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, lazarus1@sc.usp.br 
 
Gian Franco Napa-García 
Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, gnapa@sc.usp.br 
 
 
RESUMO: Efluentes de esgotos domésticos são utilizados na irrigação de terras agrícolas, mas possuem altas 
concentrações de sódio, Na+, que podem alterar a condutividade hidráulica, taxa de infiltração, salinização e retenção de 
água no solo. Assim, o estudo dos mecanismos de transporte do Na+ é de fundamental importância para que assim possa 
haver um reuso mais sustentável na irrigação agrícola. Diante deste contexto, objetivou determinar os mecanismos de 
transporte de Na+, ou seja, coeficiente de dispersão hidrodinâmica, Dh, e fator de retardamento, Rd, em colunas 
indeformadas de solo residual de arenitos da Formação Adamantina, Grupo Bauru (K), que está presente em grande 
extensão no Estado de São Paulo. Para isso, ensaios de percolação em coluna foram realizados em amostras 
indeformadas. Caracterizações físicas, químicas, físico-químicas e mineralógicas foram relacionadas aos valores de Dh e 
Rd obtidos. A mineralogia do solo é composta por quartzo, caulinita, gibsita e haloisita. Texturalmente o solo é arenoso 
(79,4%). Constatou-se a presença de dupla porosidade e de macroporos. O valor de CTC obtido (1,52 mmolc
 
/kg) indica 
que o material possui baixa capacidade de retenção de cátions por adsorção eletrostática. Os resultados de pH em H20 e 
em KCl (5,23 e 4,20 respectivamente) indicam que o solo é ácido. O ∆pH negativo (-1,03) e o PCZ (4,18) menor do que 
o pH indicam que há predomínio de cargas negativas no solo, o que pode favorecer a adsorção de cátions como o Na+. 
Os resultados mostram que os valores de Dh e Rd estão bastante diferentes entre os métodos e isto provavelmente se 
relaciona aos seus modelos conceituais. Nota-se que o sódio está sendo retido pelo solo, mas a rápida movimentação 
deste íon nas colunas e os valores do Dh sugerem também o predomínio do movimento advectivo. A determinação do 
Dh e Rd foi fortemente influencia pela macroporosidade. Os principais mecanismos de transporte atuantes são a 
advecção e a adsorção não específica, especialmente devido às características de carga elétrica deste solo. Finalmente, 
os resultados mostraram que o uso de parâmetros de transporte em modelagem de contaminante transporte deve ser 
feito com cautela, observando tanto as características do solo, quanto os modelos conceituais e as limitações dos 
métodos utilizados para a determinação desses parâmetros. 
 
 
PALAVRAS-CHAVE: Ensaio de Coluna, Dispersão Hidrodinâmica, Fator de Retardamento. 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Com o aumento da geração de esgotos 
dométiscos em decorrência do aumento 
populacional, há também aumento da geração 
de efluentes. Efluente é um dos produtos finais 
do tratamento de esgotos que devido à 
eficiência limitada de tais tratamentos, é rico 
em nutrientes (nitrogênio e fósforo) e sais 
(principalmente o cloreto de sódio) (Quadros et 
al.,2010). Normalmente os efluentes são 
dispostos em corpos hídricos superficiais para 
que ocorra sua diluição. Contudo, isso pode 
provocar desequilíbrio nutricional, levando à 
eutrofização e redução da vida aquática, além 
de provocar riscos à saúde da população (Toze, 
2006; Al Salem, 1996; Couracci Filho et al., 
2002). 
 Assim sendo desenvolveu-se a fertirrigação, 
ou seja, a prática de irrigação de terras agrícolas 
com os efluentes provenientes de tratamento de 
esgotos. 
 A fertirrigação é utilizada em todo o mundo 
há varios anos, mas é mais importante em 
regiões onde existem solos pobres em matéria 
orgânica e em nutrientes, e em áreas que sofrem 
com escassez de água para irrigação. Esta 
prática é baseada no princípio de que o solo 
retém os nutrientes presentes nos efluentes. 
Assim ocorre aumento da fertilidade dos solos e 
da produtividade agrícola. Também pode 
ocorrer redução da contaminação de corpos 
hídricos superficiais, do consumo de água 
potável e do uso de fertilizantes (Toze, 2006; 
Kiziloglu et al., 2007; Remirez-Fuentes et al., 
2002; Haruvy, 1997). 
 No entanto, o uso indiscriminado deve ser 
visto com cautela. Nutrientes em excesso 
podem contaminar as águas subterrâneas e 
comprometer a saúde e o abastecimento da 
população. Além disso, a concentração de sais 
presentes no efluente pode causar aumento da 
salinidade dos solos, desequilíbrio nutricional 
nas plantas e alteações negativas na estrutura do 
solo (Toze, 2006; Clanton e Lack, 1987; Cook 
et al., 1994; Rodrigues, 2003). 
 Desta maneira, é muito importante o 
desenvolvimento de estudos que avaliem o 
comportamento dos solutos presentes nas águas 
residuárias, quando estes entram em contato 
com o solo. Diante deste contexto, esta pesquisa 
buscou determinar os mecanismos de transporte 
de sódio em colunas indeformadas de material 
arenoso da Formação Adamantina, Grupo 
Bauru, que está presente em grande extensão no 
Estado de São Paulo e, portanto, sua 
preservação possui grande importância 
estratégica. 
 
 
2 ÁREA DE ESTUDO 
 
A área de estudo localiza-se no município de 
Cabrália Paulista (Figura 1). Situa-se sobre 
material inconsolidado residual de arenitos da 
Formação Adamantina, Grupo Bauru, que 
compreende um pacote sedimentar de idade 
retácea, que aflora em área de cerca de 117.000 
km² no Estado de São Paulo (DAEE 1990; 
Paula e Silva, Cheng & Caetano-Chang, 2003). 
 
 
 
Figura 1 Localização da área de estudo 
 
 
3 METODOLOGIA 
 
Em campo realizaram-se ensaios de 
condutividade hidráulica de acordo com ABGE 
(1996) e coleta de amostras de solo 
indeformadas e deformadas à profundidade de 
60 cm. 
 Em laboratório realizaram-se caracterizações 
mineralógicas por meio da difração de raios X 
(Azaroff e Buerguer, 1953) e análise de energia 
dispersiva (EDS). Análise granulométrica 
conjunta (ABNT-NBR7181/1984, determinação 
da massa específica dos sólidos (ABNT NBR 
6508/1984) e análise de porosimetria por 
intrusão de mercúrio (Washburn, 1921), foram 
realizadas para caracterização física do solo. 
 A caracterização físico-química deu-se por 
meio da determinação do pH (H2O e KCl), Eh e 
condutividade elétrica (EC) (EMBRAPA, 
1997), delta pH (Mekaru e Uehara, 1972), 
Point of zero charge (PCZ) (Keng e Uehara, 
1974), teor de matéria orgânica (ABNT/NBR 
13600 1996) e Capacidade de troca 
(CEC)(PEJON, 1992). 
 Após caracterização, iniciaram
de coluna para determinação dos índices físicos 
do solo (NOGUEIRA, 2005) e do
de fluxo i.e. velocidade linear média(v), 
velocidade de Darcy (q) e condutividade 
hidráulica (k). 
 Em seguida, em cada uma das três 
utilizadas percolou-se uma solução
(277, 500 e 652.7 µmol/L) durante 15 volumes 
de poros. As concentrações de Na
determinadas por meio de um fotômetro de 
chama. Com isso, construíram-se as curvas de 
chegada do Na+ (Figura 7). 
 Depois disso, determinou-se o D
de três métodos: Brigham (1974), Singh (1998), 
Bear (1961). O Rd foi determinado de acordo 
com van Genuchten e Parker (1984), Freeze e 
Cherry (1979), Shackelford (1993;1994). 
 
 
4 RESULTADOS 
 
A mineralogia do solo é composta por quartzo, 
caulinita, gibsita e haloisita, mineralogia típica 
para solos desta região (Figura 2)
 
Figura 2 Gráficos de difratometria de raios X para os três 
tratamentos realizados 
 
 Texturalmente o solo estudado possui 79,4% 
de areia, 10, 5% argila e 10,1% de
análise de porosimetria por intrusão de 
mercúrio constatou a presença de dupla 
porosidade (Figura 3). Além disso,
classificação de Koorevaar,Menelik e Dirksen 
(1983), tem-se 5% de macroporos, ou seja, 
poros maiores que 100 µm (Figura
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20
cp
s
2θ
Difração de Raios X Antes do Ensaio de Coluna
Natural Térmico Químico
4.26 (Gibsita) 
3.54 10.00 (Haloisita) 7.25 (Caulinitas)
of zero charge (PCZ) (Keng e Uehara, 
1974), teor de matéria orgânica (ABNT/NBR 
13600 1996) e Capacidade de troca 
Após caracterização, iniciaram-se o ensaio 
de coluna para determinação dos índices físicos 
do solo (NOGUEIRA, 2005) e dos parâmetros 
de fluxo i.e. velocidade linear média(v), 
velocidade de Darcy (q) e condutividade 
uma das três colunas 
uma solução de NaCl 
mol/L) durante 15 volumes 
de poros. As concentrações de Na+ foram 
determinadas por meio de um fotômetro de 
se as curvas de 
o Dh e por meio 
três métodos: Brigham (1974), Singh (1998), 
foi determinado de acordo 
com van Genuchten e Parker (1984), Freeze e 
Cherry (1979), Shackelford (1993;1994). 
A mineralogia do solo é composta por quartzo, 
haloisita, mineralogia típica 
(Figura 2). 
 
Gráficos de difratometria de raios X para os três 
Texturalmente o solo estudado possui 79,4% 
de areia, 10, 5% argila e 10,1% de silte. A 
análise de porosimetria por intrusão de 
mercúrio constatou a presença de dupla 
. Além disso, segundo a 
classificação de Koorevaar, Menelik e Dirksen 
se 5% de macroporos, ou seja, 
ura 4). 
Figura 3 Frequência versus diâmetro dos poros
 
Figura 4 Diâmetro dos poros 
volume total de mercúrio introduzido
 
 No entanto, com a análise visual das colunas 
constatou-se que há muitos macroporos com 
diâmetro variando de 2 a 4 mm que não foram 
identificados no ensaio de porosimetria, mas 
que devem ser considerados na análise dos 
mecanismos de transporte
 
Figura 5 Macroporosidade nas 
 
 A massa específica dos sólidos está de 
25 30 35
Difração de Raios X Antes do Ensaio de Coluna
Químico
3.54 (Caulinita)
3.34 (Quartzo)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.001 0.01 0.1
Fr
eq
u
ên
cia
Diâmetro dos Poros (1E
Topo Meio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
0,001 0,01 0,1
P
o
r
c
e
n
ta
ge
m
 
do
 
V
o
lu
m
e
 
To
ta
l 
In
tr
o
du
z
id
o
 
(%
)
Diâmetro dos Poros (1E
Topo Meio
Macroporos 
 
diâmetro dos poros. 
 
Diâmetro dos poros versus porcentagem do 
volume total de mercúrio introduzido 
No entanto, com a análise visual das colunas 
ue há muitos macroporos com 
diâmetro variando de 2 a 4 mm que não foram 
identificados no ensaio de porosimetria, mas 
que devem ser considerados na análise dos 
mecanismos de transporte (Figura 5). 
 
Macroporosidade nas colunas de solo. 
A massa específica dos sólidos está de 
1 10 100 1000
Diâmetro dos Poros (1E-6 m)
Meio Base
1 10 100 1000
Diâmetro dos Poros (1E-6 m)
Meio Base
 
acordo com materiais arenosos (26.4 kN/m³).). 
O valor de CTC obtido (1.52 mmolc /kg) 
indica que o material possui baixa capacidade 
de retenção de cátions por adsorção 
eletrostática. A condutividade elétrica mostra a 
existência de baixas concentrações de sais 
dissolvidos (55.70mS/m). 
 Os resultados de pH em H2O e em KCl (5,23 
e 4,20 respectively) indicam que o solo é 
levemente ácido, característico dos solos dessa 
região. O ∆pH negativo (-1,03) e o PCZ (4,18) 
menor do que o pH do solo indicam que há 
predomínio de cargas negativas no solo, o que 
pode favorecer a adsorção de cátions como o 
Na+. Além disso, este solo possui baixo teor de 
matéria orgânica (1,18 %). 
 Os valores de condutividade hidráulica 
foram consistentes com solos arenosos (com 
ordem de grandeza de 10-5m/s). Os valores da 
velocidade de Darcy e da velocidade linear 
média foram da ordem de 10-4m/s. Estes dois 
valores foram similares entre si e este resultado 
é reflexo da macroporosidade do solo. 
 Durante os ensaios de coluna, foram 
monitorados o pH, a temperatua e a 
condutividade elétrica. Os valores de pH 
variaram entre 6,8 e 7,7 e a temperatura variou 
de 22,5 a 23 °C. Notou-se aumenta da 
condutividade elétrica com o passar do volume 
de poros (Figura 5). 
 
 
Figura 6 Condutividade elétrica versus Volume de Poros 
 
 Observando a curva de chegada (Figura 6) é 
possível notar a retenção do sódio, o que 
explica o aumento da C.E no solo. Esta retenção 
pode ocorrer devido à adsorção não específica, 
que, mesmo ocorrendo em pequena quantidade 
devido à mineralogia do solo, pode ser capaz de 
agir fortemente na retenção do sódio. 
 A curva de chegada também mostra que no 
início do ensaio parte do soluto está deixando a 
coluna com a mesma velocidade linear média 
da água. Isto sugere a ocorrência de movimento 
advectivo por caminhos preferencias, como os 
macroporos. 
 
 
Figura 7 Curvas de chegada de sódio. 
 
 Os valores de Dh foram muito diferentes 
dependendo do método usado (Tabela 1.). 
Provavelmente, isto esta relacionado ao modelo 
conceitual de cada método. Os valores de Dh 
obtidos com o método proposto por Bear (1972) 
são dependentes dos valores do coeficiente de 
dispersividade longitudinal (αl), que podem 
variar bastante, dependendo da escala de 
análise. 
 
Tabela 1. Valores do Coeficiente de Dispersão 
Hidrodinâmica do Na+ 
Coeficiente de Dispersão Hidrodinâmica (m²/min) 
Método Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 
Brigham et 
al. (1974) 1,91E-03 2,24E-03 2,82E-03 
Singh (1998) 2,96E-07 2,68E-07 6,54E-07 
Bear (1961) 1,97E-04 2,25E-04 2,85E-04 
 
 Os valores de Dh obtidos com o método 
proposto por Bringham et al. (1974) podem não 
ser apropriados quando houver macorporos na 
coluna, como neste caso estudado, pois a 
velocidade linear média calculada refletirá 
principalmente a velocidade pelos macroporos e 
não por toda a coluna de solo (Godoy, 2013). 
0
150
300
450
600
750
900
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5
C
o
n
du
tiv
id
a
de
 
El
ét
ri
ca
 
(µ
S/
cm
) 
Volume de Poros
Condutividade Elétrica x Volume de Poros
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5
Co
n
ce
n
tr
a
çã
o
 
R
el
a
tiv
a
 
C
//C
0
Volume de Poros
Curva de Chegada de Na+
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Por outro lado, o método proposto por Singh 
(1998), apesar de resultar em valores que 
podem variar bastante com pequenas alterações 
no formato da curva de chegada, não usa 
diretamente os valores da velocidade linear 
média na determinação do Dh. Assim, este 
método é menos vulnerável a erros na medição 
da velocidade. 
 Para determinar os valores de Rd com o 
método proposto por Frreze e Cherry (1979), 
deve-se assumir que a sorção obedece a uma 
isoterma linear. Contudo, isto normalmente não 
ocorre em materiais geológicos, como pode ser 
visto no ajuste das isotermas para o solo 
estudado. Os valores de Rd obtidos com este 
método são menores do que os valores obtidos 
com outros métodos (Tabela 2.). 
 
Tabela 2. Valores de Fator de Retardamento de Na+ 
 Método Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3 
van Genuchten e 
Parker (1984) 5,60 3,79 2,74 
Freeze e Cherry 
(1979) 3,50 2,20 1,90 
 
 
5 CONCLUSÕES 
 
Ensaios de caracterização foram fundamentais 
para que se interpretassem os possíveis 
mecanismos de transporte presentes no solo. A 
presença de dupla porosidade bem como de 
macroporosidade foram determinantes nos 
valores dos parâmetros de fluxo e transporte. 
 O solo, apesar de arenoso e com baixa CTC, 
apresentou significante sorção. Com isto, pode-
se concluir que as conhecer as características 
físico-químicas,mineralógicas e físicas, 
principalmente em relação á porosidade, são 
essenciais para entender o transporte de solutos 
no solo. 
 O principal mecanismo de transporte 
atuando neste solo são advecção e adsorção 
não-específica. A análise dos modelos 
conceituais dos métodos utilizados para a 
determinar os valores de Dh e Rd permitiu que 
se identificassem as limitações e vantagens de 
cada método. 
 Os resultados sugerem que o uso de 
parâmetros de transporte em modelagem do 
transporte de contaminantes deve ser feito com 
cautela. É necessário que se observe tanto as 
características do solo (mineralógicas, físicas, 
químicas, físico-químicas) quanto o modelo 
conceitual e as limitações do métodos usados na 
determinação desses parâmetros. 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Agradecemos aos professores e aos 
funcionários da Escola Técnica Estadual “Astor 
de Mattos Carvalho”, à coordenação de 
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior 
e à Escola de Engenharia de São Carlos da 
Universidade de São Paulo, por permitirem o 
desenvolvimento deste trabalho. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
Al Salem, S.S. (1996) Environmental considerations for 
wastewater reuse in agriculture. Water Science and 
Technology, v.33, n.10–11, p.345-353. 
Associação Brasileira de Normas Técnicas –ABNT NBR 
13600-1996: Solo – Determinação do teor de matéria 
orgânica por queima a 440 C̊. Rio de Janeiro, 1996. 
2p. 
______ NBR 6508-1984a: Grãos de solos que passam na 
peneira de 4,8 mm: determinação da massa específica: 
método de ensaio. Rio de Janeiro, 7 p. 
______ NBR 7181-1984c: Solo - análise granulométrica. 
Rio de Janeiro, 13 p. 
Azaroff, L. V. Buerger, M. J. (1953) The powder method 
in X-ray crystallography. 342p. 
Bear, J. (1961) Some experiments in dispersion. Journal 
of Geophysical Research, v. 66, n. 8, p. 2455-2467. 
Brigham, W. E. et al.(1974) Mixing equations in short 
laboratory cores. Old Society of Petroleum Engineers 
Journal, v. 14, n. 1, p. 91-99. 
Clanton;, C.J. e Lack, D.C. (1987) Hydraulic properties 
of soils as affected by surface application of 
wastewater. Transactions of American Society of 
Agricultural Engineering, v.30, n.3, p.683-687. 
Cook, F.J. e Kelliher, F.M.; Mcmahon, S.D. (1994) 
Changes In Infiltration And Drainage During 
Wastewater Irrigation Of A Highly Permeable Soil. J. 
Environ. Qual., v.23, n.3, p.476-482. 
Coraucci Filho, B. et al. (2002) Remoção natural de 
patógenos no sistema de pós-tratamento por 
escoamento superficial no solo. In: VI Simpósio Ítalo 
Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. 
Anais...Vitória, ES, 5p. 
Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - 
EMBRAPA. (1997) Centro Nacional de Pesquisa de 
Solos. Manual de métodos de análise de solo. Rio de 
Janeiro, 212p. 
Freeze, R. A. e Cherry, J. A. (1979) Groundwater, 
Prentice-Hall, Englewood Cliffs, Nova Jersey, 604 p. 
Godoy, V.A. (2013) Estudo dos mecanismos de 
transporte de sódio, fosfato e amônio em colunas 
indeformadas de material inconsolidado residual de 
arenitos da Formação Adamantina. 255p. Dissertação 
(Mestrado), Escola de Engenharia de São Carlos, 
Universidade de São Paulo, 2013. 
Haruvy, N. (1997) Agricultural reuse of wastewater: 
nation-wide cost-benefit analysis. Agriculture, 
Ecosystems & amp; Environment, v.66, n.2, p.113-
119. 
Kiziloglu, M.F. et al. (2007) Effects of wastewater 
irrigation on soil and cabbage-plant (brassica olerecea 
var. capitate cv. yalova-1) chemical properties. 
Journal of Plant Nutrition and Soil Science, v.170, 
n.1, p.166-172. 
Paula E Silva, F.; Cheng, H.K. e Caetano-Chang, M.R. 
(2003) Perfis de referência do Grupo Bauru (K) no 
Estado de São Paulo. Geociências, v. 22, n. especial, 
p. 21-32. 
Quadros, D.G.D. et al. (2010) Anaerobic digestion of 
goat and sheep wastes in a continuous reactor of 
flexible PVC. Revista Brasileira de Engenharia 
Agrícola e Ambiental, v.14, n.3, p.326-332. 
Ramirez-Fuentes, E. et al. (2002) Characteristics, and 
carbon and nitrogen dynamics in soil irrigated with 
wastewater for different lengths of time. Bioresource 
Technology, v.85, n.2, p.179-187. 
Rodrigues, R.A. (2003) A influência do esgoto doméstico 
como fluido de saturação no colapso de um solo 
arenoso. 130 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia 
Civil) - Faculdade De Engenharia, Universidade 
Estadual Paulista, Ilha Solteira, 2003 
Singh, S. K. (1998) Estimation of dispersion coefficient 
from data on soil column test. In: IX National 
Symposium on Hydrogeology (Amritsar).National 
Institute of Hydrology. Anais… Roorkee, India, 
p.336-340. 
Toze, S. (2006) Reuse of effluent water: benefits and 
risks. Agricultural Water Management, v.80, n.1–3, 
p.147-159. 
Van Genuchten e M. T; Parker, J. C. (1984) Boundary 
conditions for displacement experiments through 
short laboratory soil columns. Soil Science Society of 
America Journal, v. 48, n. 4, p. 703-708. 
Vilella Junior, L. V. E.; Araújo, J. A. C. e Factor, T.L. 
(2003) Comportamento do meloeiro em cultivo sem 
solo com a utilização de biofertilizante. Horticultura 
Brasileira, Brasília, v.2, n.2, p.153-157.