modelação da adsorção de nutrientes no solo - Universidade do ...
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REUTILIZAÇÃO DE ÁGUAS RESIDUAIS: MODELAÇÃO DA ADSORÇÃO DE<br />
NUTRIENTES NO SOLO<br />
Daniel RIBEIRO*, Gilberto MARTINS*, Ana C. RODRIGUES*, José CUNHA**, António G. BRITO*,<br />
Regina NOGUEIRA*<br />
*Universi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong> Minho, Centro <strong>de</strong> Engenharia Biológica, Campus <strong>de</strong> Gualtar, 4710-057, Braga<br />
**Câmara Municipal <strong>de</strong> Vila Ver<strong>de</strong> – Departamento <strong>de</strong> Ambiente, 4730-733 Vila Ver<strong>de</strong><br />
Palavras-chave: reutilização, <strong>adsorção</strong>, <strong>solo</strong>s, <strong>mo<strong>de</strong>lação</strong>, <strong>nutrientes</strong>.<br />
Resumo<br />
O presente estu<strong>do</strong> inci<strong>de</strong> na <strong>mo<strong>de</strong>lação</strong> <strong>da</strong> remoção <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> presentes em águas residuais<br />
<strong>do</strong>mésticas por <strong>adsorção</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong> e na avaliação <strong>do</strong> risco <strong>de</strong> contaminação <strong>de</strong> aquíferos por parte<br />
<strong>de</strong>stes. Nesse senti<strong>do</strong>, <strong>de</strong>senvolveu-se um mo<strong>de</strong>lo matemático e efectuou-se a <strong>de</strong>terminação<br />
experimental <strong>do</strong>s parâmetros que caracterizam as isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong>s iões nitrato, fosfato e<br />
amónio. Os resulta<strong>do</strong>s experimentais indicaram que o <strong>solo</strong> tem principalmente carga iónica positiva,<br />
visto que os iões <strong>de</strong> carga contrária (tais como o nitrato e fosfato) foram os que principalmente<br />
adsorveram. Os resulta<strong>do</strong>s <strong>da</strong> simulação <strong>de</strong>monstraram que o fosfato é totalmente adsorvi<strong>do</strong> e que a<br />
concentração <strong>de</strong> nitrato e amónio na água intersticial, após o perío<strong>do</strong> <strong>de</strong> um a<strong>no</strong>, é <strong>de</strong> 0.250 mg/L e<br />
0.023 mg/L respectivamente, a 2 m <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>. Em relação ao exercício <strong>de</strong> simulação, estu<strong>do</strong>use<br />
o efeito <strong>de</strong> uma sobrecarga <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> assim como a possibili<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> ocorrer saturação <strong>da</strong><br />
coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong>. No caso <strong>de</strong> ocorrer uma sobrecarga <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong> proveniente <strong>da</strong> <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong><br />
água residual com uma concentração até quatro vezes superior ao valor médio, verificou-se que a<br />
concentração <strong>do</strong> ião amónio foi a mais afecta<strong>da</strong>, aumentan<strong>do</strong> <strong>de</strong> 27 % a uma profundi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> 2 m e ao<br />
fim <strong>de</strong> um a<strong>no</strong>. Finalmente, os parâmetros <strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> (segun<strong>do</strong> os mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong><br />
Freundlich e Langmuir) foram sujeitos a uma análise <strong>de</strong> sensibili<strong>da</strong><strong>de</strong>, ten<strong>do</strong>-se comprova<strong>do</strong> que o<br />
mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>senvolvi<strong>do</strong> é extremamente sensível à constante α <strong>da</strong> isotérmica <strong>de</strong> Freundlich.<br />
1 INTRODUÇÃO E OBJECTIVOS<br />
Em geral, o <strong>de</strong>sti<strong>no</strong> final <strong>da</strong>s águas residuais <strong>do</strong>mésticas é o meio hídrico superficial, mas, <strong>no</strong><br />
caso <strong>de</strong> peque<strong>no</strong>s aglomera<strong>do</strong>s populacionais, o <strong>solo</strong> constitui o elemento receptor mais comum. Não<br />
obstante, reconhecen<strong>do</strong>-se que extensas áreas <strong>de</strong> Portugal são, periodicamente, sujeitas a um stress<br />
hídrico significativo, a valorização <strong>da</strong>s águas residuais na rega florestal (i.e. infiltração lenta <strong>no</strong> <strong>solo</strong>), é<br />
sempre interessante, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> que se garanta um risco reduzi<strong>do</strong> <strong>de</strong> contaminação <strong>do</strong>s aquíferos.<br />
A mobili<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong>s <strong>nutrientes</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong> está associa<strong>da</strong> ao escoamento <strong>da</strong> água <strong>no</strong>s poros <strong>do</strong> <strong>solo</strong>,<br />
proveniente <strong>de</strong> fontes antropogénicas (e.g. a água residual) ou <strong>da</strong> precipitação. O transporte <strong>de</strong><br />
<strong>nutrientes</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>, entre outros factores, <strong>do</strong> teor <strong>de</strong> água <strong>no</strong> <strong>solo</strong>, <strong>da</strong> concentração <strong>do</strong> nutriente, <strong>da</strong><br />
temperatura e <strong>de</strong> características <strong>do</strong> <strong>solo</strong> que influenciam a tortuosi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong> percurso e a <strong>adsorção</strong><br />
(VARENNES, 2003; FESCH et al, 1997). Nesse quadro, a avaliação <strong>de</strong> risco <strong>de</strong> contaminação <strong>de</strong> <strong>solo</strong>s<br />
e massas <strong>de</strong> água subterrâneas po<strong>de</strong> ser efectua<strong>da</strong>, antecipa<strong>da</strong>mente, por meio <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>los<br />
matemáticos.<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
1
O presente estu<strong>do</strong> preten<strong>de</strong>u contribuir para avaliar o risco <strong>de</strong> contaminação <strong>de</strong> águas<br />
subterrâneas em resulta<strong>do</strong> <strong>da</strong> utilização <strong>de</strong> águas residuais para rega florestal, sistema <strong>de</strong>signa<strong>do</strong> por<br />
filtro ver<strong>de</strong>. Para esse efeito, <strong>de</strong>senvolveu-se um mo<strong>de</strong>lo matemático na plataforma AQUASIM<br />
(REICHERT, 1994; REICHERT, 1998; RODRIGUES et al, 2006a; RODRIGUES et al, 2006b),<br />
<strong>de</strong>signa<strong>do</strong> por SOMOFIQ1 (SOloMO<strong>de</strong>laçãoFIsico-Química, vs1), que permite gerar o perfil <strong>de</strong><br />
concentração <strong>de</strong> vários <strong>nutrientes</strong> em função <strong>do</strong> tempo e <strong>da</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong> na coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong>. Efectuouse<br />
a <strong>de</strong>terminação experimental <strong>do</strong>s parâmetros que caracterizam as isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong>s iões<br />
nitrato, fosfato e amónio. As simulações realiza<strong>da</strong>s contemplaram três cenários consi<strong>de</strong>ran<strong>do</strong> o efeito<br />
<strong>da</strong> <strong>adsorção</strong>, sobrecarga <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong> e saturação <strong>da</strong> coluna.<br />
Por último, importa registar que este estu<strong>do</strong> se insere <strong>no</strong> projecto Depuranat – Gestão<br />
sustentável <strong>de</strong> águas residuais em espaços rurais, <strong>do</strong> programa INTERREG III B, co-financia<strong>do</strong> pela<br />
UE, e <strong>no</strong> âmbito <strong>do</strong> qual estão a ser testa<strong>do</strong>s sistemas <strong>de</strong> tratamento não convencionais, <strong>de</strong> baixo<br />
custo energético (http://<strong>de</strong>puranat.itccanarias.org/). Em Portugal, através <strong>de</strong> uma colaboração entre a<br />
Câmara Municipal <strong>de</strong> Vila Ver<strong>de</strong> e a Universi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong> Minho, esta experiência piloto está a ser<br />
conduzi<strong>da</strong> <strong>no</strong> Lugar <strong>do</strong> Curral. Assim, para este aglomera<strong>do</strong>, com uma população estima<strong>da</strong> em 120<br />
habitantes é <strong>de</strong>scarrega<strong>do</strong> um cau<strong>da</strong>l <strong>de</strong> água residual <strong>de</strong>, aproxima<strong>da</strong>mente, 4300 m 3 /a<strong>no</strong>, sujeito a<br />
pré-tratamento por arejamento, num terre<strong>no</strong> com uma área <strong>de</strong> 1090 m 2 , <strong>de</strong>stina<strong>do</strong> a valorização <strong>de</strong><br />
biomassa vegetal. As espécies planta<strong>da</strong>s foram o Choupo-branco (Populus Alba L.), Choupo-negro<br />
(Populus nigra) e Freixo-comum (Fraxinus excelsior L.).<br />
2 METODOLOGIA<br />
2.1 Estu<strong>do</strong> <strong>da</strong> cinética <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong><br />
A <strong>adsorção</strong> é o processo <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> constituintes (adsorbatos) <strong>de</strong> uma fase flui<strong>da</strong> para<br />
a superfície <strong>de</strong> uma fase sóli<strong>da</strong> (adsorvente), sen<strong>do</strong> as moléculas presentes na fase flui<strong>da</strong> atraí<strong>da</strong>s<br />
para a zona interfacial <strong>de</strong>vi<strong>do</strong> à existência <strong>de</strong> forças atractivas não compensa<strong>da</strong>s na superfície <strong>do</strong><br />
adsorvente. Duas <strong>da</strong>s mais utiliza<strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> são a <strong>de</strong> Langmuir e a <strong>de</strong> Freundlich<br />
(FIGUEIREDO, J., RIBEIRO, F. 1989). A isotérmica <strong>de</strong> Langmuir é <strong>de</strong>scrita pela Equação 1.<br />
Smáx<br />
⋅C<br />
S =<br />
K + C<br />
(1)<br />
on<strong>de</strong> C é concentração <strong>de</strong> equilíbrio na fase líqui<strong>da</strong> (mg/L), S é a quanti<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> adsorbato por massa<br />
<strong>de</strong> adsorvente (mg/kg), Smáx é a quanti<strong>da</strong><strong>de</strong> máxima <strong>de</strong> adsorbato por massa <strong>de</strong> adsorvente (mg/kg) e<br />
K (mg/m3 ) representa a concentração <strong>de</strong> adsorbato para a qual se atinge meta<strong>de</strong> <strong>da</strong> capaci<strong>da</strong><strong>de</strong><br />
máxima <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> (Smáx/2). A isotérmica <strong>de</strong> Freundlich é, por seu tur<strong>no</strong>, <strong>de</strong>scrita pela Equação 2:<br />
α<br />
S = KF<br />
⋅C<br />
(2)<br />
sen<strong>do</strong> KF a constante <strong>de</strong> Freundlich ((mg/kg)(m 3 /mg) α ) e α a constante adimensional.<br />
O comportamento típico <strong>da</strong> isotérmica <strong>de</strong> Langmuir está associa<strong>do</strong> a sóli<strong>do</strong>s microporosos com<br />
superfícies externas relativamente pequenas (por exemplo, carvões activos e peneiros moleculares),<br />
em que o valor limite <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> correspon<strong>de</strong> à formação <strong>de</strong> uma cama<strong>da</strong> mo<strong>no</strong>molecular adsorvi<strong>da</strong>.<br />
Na isotérmica <strong>de</strong> Freundlich, a quanti<strong>da</strong><strong>de</strong> adsorvi<strong>da</strong> ten<strong>de</strong> para infinito, correspon<strong>de</strong>n<strong>do</strong> à <strong>adsorção</strong><br />
em cama<strong>da</strong>s múltiplas sobrepostas e ocorre em sóli<strong>do</strong>s não porosos ou macroporosos, po<strong>de</strong>n<strong>do</strong> atingir<br />
um limite quan<strong>do</strong> ocorre o fenóme<strong>no</strong> <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsação capilar. A quanti<strong>da</strong><strong>de</strong> adsorvi<strong>da</strong> ten<strong>de</strong> para um<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
2
valor máximo finito, correspon<strong>de</strong>nte ao preenchimento <strong>do</strong>s capilares com adsorvi<strong>do</strong> <strong>no</strong> esta<strong>do</strong> líqui<strong>do</strong><br />
(FIGUEIREDO, J., RIBEIRO, F. 1989).<br />
2.1.1 Determinação <strong>do</strong>s parâmetros <strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong><br />
Os parâmetros cinéticos <strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong>s <strong>nutrientes</strong> ao <strong>solo</strong> foram <strong>de</strong>termina<strong>do</strong>s<br />
em ensaios laboratoriais realiza<strong>do</strong>s em batch e sem mistura, a 22 ºC. O procedimento experimental foi<br />
o seguinte para o ião nitrato:<br />
• Recolheram-se amostras <strong>de</strong> <strong>solo</strong> a, aproxima<strong>da</strong>mente, 30 cm <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>. Posteriormente<br />
efectuou-se a sua esterilização a 120 ºC durante 30 min e secagem a 55 ºC;<br />
• Preparam-se 4 séries idênticas <strong>de</strong> soluções com diferentes concentrações <strong>do</strong> ião nitrato (NO3 - ):<br />
10 mg/L, 20 mg/L, 35 mg/L, 50 mg/L e 65 mg/L. A recipientes <strong>de</strong> 250 ml adicionaram-se 100 ml<br />
<strong>de</strong> ca<strong>da</strong> solução e cerca <strong>de</strong> 7 g <strong>de</strong> <strong>solo</strong>;<br />
• Ao longo <strong>do</strong> tempo efectuou-se a filtração (porosi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong> filtro 0.4 μm) <strong>de</strong> ca<strong>da</strong> série <strong>de</strong><br />
soluções sen<strong>do</strong> a terceira série filtra<strong>da</strong> após um intervalo mínimo <strong>de</strong> 24 h (tempo a que se<br />
consi<strong>de</strong>ra ter-se atingi<strong>do</strong> o equilíbrio).<br />
O mesmo procedimento foi executa<strong>do</strong> para os iões fosfato e amónio, ten<strong>do</strong>-se utiliza<strong>do</strong> a<br />
seguinte série <strong>de</strong> concentrações para ambos: 2 mg/L, 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L e 30 mg/L. As análises<br />
físico-químicas na fase líqui<strong>da</strong> foram efectua<strong>da</strong>s conforme preceitua<strong>do</strong> <strong>no</strong> Stan<strong>da</strong>rd Methods (1989,<br />
4500–N e 4500–-P), utilizan<strong>do</strong> espectrofotometria <strong>de</strong> UV/VIS. O material <strong>de</strong> vidro utiliza<strong>do</strong> <strong>no</strong>s ensaios<br />
para o ião fosfato foi previamente lava<strong>do</strong> com uma solução <strong>de</strong> áci<strong>do</strong> nítrico (6.5 %) e posteriormente<br />
com água ultrapura.<br />
2.2 Mo<strong>de</strong>lação e simulação matemática: bases e pressupostos<br />
A plataforma usa<strong>da</strong> para o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>do</strong> mo<strong>de</strong>lo foi o programa AQUASIM, que inclui<br />
fenóme<strong>no</strong>s <strong>de</strong> transporte (convecção), reacção e transferência <strong>de</strong> massa por difusão entre as zonas<br />
móveis e imóveis. A concentração <strong>de</strong> um <strong>de</strong>termina<strong>do</strong> nutriente na zona móvel é <strong>de</strong>scrita pela Equação<br />
3. O primeiro termo representa a convecção <strong>do</strong> flui<strong>do</strong>, o segun<strong>do</strong> a dispersão e o terceiro a reacção<br />
(espécie química i).<br />
∂Cmob,<br />
i 1 ∂<br />
1 ∂ ⎛ ∂Cmob,<br />
i ⎞<br />
= − ( QCmob,<br />
i ) + ⎜ AθE<br />
⎟ + rCmob,<br />
i<br />
(3)<br />
∂t<br />
Aθ<br />
∂x<br />
Aθ<br />
∂x<br />
⎝ ∂x<br />
⎠<br />
on<strong>de</strong> Cmob,i é a concentração <strong>do</strong> nutriente i na fase móvel, t é o tempo, A é a área <strong>de</strong> secção transversal<br />
<strong>da</strong> coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong>, θ é a porosi<strong>da</strong><strong>de</strong>, E é o coeficiente <strong>de</strong> dispersão longitudinal e r é o termo <strong>de</strong><br />
reacção.<br />
O mo<strong>de</strong>lo matemático SOMOFIQ1 (SOloMO<strong>de</strong>laçãoFIsico-Química, vs1) gera perfis <strong>de</strong><br />
concentração <strong>do</strong>s iões nitrato, fosfato e amónio em função <strong>do</strong> tempo e <strong>da</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong> na coluna <strong>de</strong><br />
<strong>solo</strong>. O efeito <strong>da</strong> pluviosi<strong>da</strong><strong>de</strong> é contempla<strong>do</strong> <strong>no</strong> mo<strong>de</strong>lo, ten<strong>do</strong>-se obti<strong>do</strong> os valores <strong>da</strong> precipitação <strong>no</strong><br />
posto u<strong>do</strong>métrico 03G/03 – Portela <strong>do</strong> Va<strong>de</strong>. Os parâmetros que carecterizam a coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong> <strong>no</strong><br />
mo<strong>de</strong>lo foram os seguintes: profundi<strong>da</strong><strong>de</strong> crítica <strong>da</strong> coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong> (o nível a que se consi<strong>de</strong>ra o risco<br />
<strong>de</strong> contaminação <strong>do</strong> aquífero) <strong>de</strong> 2.00 m, porosi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> 0.39, massa específica <strong>de</strong> 2300 kg/m 3 e<br />
coeficiente <strong>de</strong> dispersão <strong>de</strong> 0.015. Consi<strong>de</strong>rou-se também que o <strong>solo</strong> tem um perfil homogénio. A<br />
<strong>de</strong>scarga diária <strong>de</strong> água residual (12 m 3 /d) foi efectua<strong>da</strong> apenas durante uma hora, sen<strong>do</strong> a<br />
concentração <strong>de</strong> nitrato <strong>de</strong> 50 mg/L e a <strong>de</strong> fosfato e amónio <strong>de</strong> 6 mg/L.<br />
Os exercícios <strong>de</strong> simulação efectua<strong>do</strong>s <strong>no</strong> presente estu<strong>do</strong> contemplaram três cenários:<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
3
Cenário 1: cenário <strong>de</strong> referência, <strong>adsorção</strong> <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong>;<br />
Cenário 2: sobrecarga <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong>;<br />
Cenário 3: situação extrema em que não se verifica a <strong>adsorção</strong>, ou seja, o caso em que coluna<br />
<strong>de</strong> <strong>solo</strong> satura. Esta simulação permite avaliar o perío<strong>do</strong> <strong>de</strong> tempo necessário para se atingir<br />
uma situação <strong>de</strong> risco significativo.<br />
Em síntese, o procedimento meto<strong>do</strong>lógico utiliza<strong>do</strong> <strong>no</strong> presente trabalho está esquematiza<strong>do</strong> na<br />
Figura 1.<br />
Sistema <strong>de</strong> tratamento<br />
Precipitação<br />
Solo<br />
Aquífero<br />
3 RESULTADOS<br />
Água residual<br />
pré-areja<strong>da</strong><br />
Avaliação <strong>de</strong> Risco<br />
Monitorização “in situ” <strong>do</strong> gradiente <strong>de</strong><br />
concentração <strong>no</strong> <strong>solo</strong> (em curso)<br />
Análises físico-<br />
-químicas ao efluente<br />
Amostragem <strong>do</strong> <strong>solo</strong> e<br />
realização <strong>de</strong> ensaios <strong>de</strong><br />
<strong>adsorção</strong><br />
Avaliação <strong>de</strong> Riscos<br />
Legen<strong>da</strong>:<br />
Fluxo <strong>de</strong> massa <strong>de</strong> água Fluxo <strong>de</strong> informação<br />
Figura 1 – Esquema meto<strong>do</strong>lógico geral.<br />
3.1 Isotérmicas <strong>de</strong> Adsorção<br />
Os parâmetros <strong>da</strong>s equações que <strong>de</strong>screvem as isotérmicas <strong>de</strong> Langmuir e <strong>de</strong> Freundlich<br />
(Equações 1 e 2) foram <strong>de</strong>termina<strong>do</strong>s através <strong>do</strong> ajuste <strong>da</strong>s respectivas equações lineariza<strong>da</strong>s<br />
(Equações 4 e 5) aos resulta<strong>do</strong>s experimentais.<br />
1 K<br />
=<br />
S S<br />
1 1<br />
+<br />
C S<br />
(4)<br />
máx<br />
máx<br />
log( F<br />
) log( ) log( ) K C S = α +<br />
(5)<br />
As Figuras 2, 3 e 4 apresentam os resulta<strong>do</strong>s experimentais e as isotérmicas, para os iões<br />
nitrato, fosfato e amónio, respectivamente.<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
Desenvolvimento <strong>do</strong> Mo<strong>de</strong>lo<br />
Construção <strong>do</strong><br />
Mo<strong>de</strong>lo em AQUASIM<br />
Resulta<strong>do</strong>s <strong>da</strong> Simulação <strong>de</strong> cenários<br />
Estabelecimento <strong>da</strong>s<br />
condições iniciais <strong>do</strong><br />
mo<strong>de</strong>lo<br />
Determinação <strong>da</strong>s<br />
isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong><br />
4
Massa <strong>de</strong> nitrato adsorvi<strong>da</strong> por<br />
uni<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> massa <strong>de</strong> <strong>solo</strong>/(mg/Kg)<br />
Massa <strong>de</strong> fosfato adsorvi<strong>da</strong> por uni<strong>da</strong><strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> massa <strong>de</strong> <strong>solo</strong>/(mg/kg)<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 10 20 30 40<br />
Concentração <strong>de</strong> nitrato na fase líqui<strong>da</strong>/(mg/L)<br />
Resulta<strong>do</strong>s experimentais Isotérmica <strong>de</strong> Langmuir Isotérmica <strong>de</strong> Freundlich<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Figura 2 – Resulta<strong>do</strong>s experimentais e isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para o ião nitrato.<br />
0<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Concentração <strong>de</strong> fosfato na fase líqui<strong>da</strong>/(mg/L)<br />
Resulta<strong>do</strong>s Experimentais Isotérmica <strong>de</strong> Langmuir Isotérmica <strong>de</strong> Freundlich<br />
Figura 3 – Resulta<strong>do</strong>s experimentais e isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para o ião fosfato.<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
5
Massa <strong>de</strong> nitrato adsorvi<strong>da</strong> por uni<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
massa <strong>de</strong> <strong>solo</strong>/(mg/kg)<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
Concentração <strong>de</strong> amónio na fase líqui<strong>da</strong>/(mg/L)<br />
Resulta<strong>do</strong>s Experimentais Isotérmica <strong>de</strong> Langmuir Isotérmica <strong>de</strong> Freundlich<br />
Figura 4 – Resulta<strong>do</strong>s experimentais e isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para o ião amónio.<br />
A Tabela 2 sumaria os valores <strong>do</strong>s parâmetros <strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> que melhor se<br />
ajustaram aos resulta<strong>do</strong>s experimentais: a isotérmica <strong>de</strong> Freundlich para o ião nitrato e a <strong>de</strong> Langmuir<br />
para os iões fosfato e amónio.<br />
Tabela 1 – Parâmetros obti<strong>do</strong>s por ajustes <strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para os três compostos em estu<strong>do</strong>.<br />
Parâmetros<br />
Compostos<br />
α<br />
KF<br />
(mg/kg)<br />
Smáx<br />
(mg/kg)<br />
K<br />
(mg/L)<br />
Nitrato Freundlich 0,9482 0,0194 – –<br />
Fosfato Langmuir – – 260 1.7<br />
Amónio Langmuir – – 187 48<br />
A Figura 5 apresenta, em síntese, a isotérmica <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> que melhor se ajusta aos iões<br />
nitrato, fosfato e amónio, permitin<strong>do</strong> verificar-se qual <strong>de</strong>stes irá adsorver preferencialmente ao <strong>solo</strong>.<br />
Estas foram as isotérmicas utiliza<strong>da</strong>s <strong>no</strong> SOMOFIQ1.<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
6
Massa <strong>de</strong> contaminante adsorvi<strong>da</strong><br />
por massa <strong>de</strong> <strong>solo</strong>/(mg/Kg)<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Concentração <strong>de</strong> contaminante na água intersticial/(mg/L)<br />
Isotérmica <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para o nitrato Isotérmica <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para o fosfato<br />
Isotérmica <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> para o amónio<br />
Figura 5 – Isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> utiliza<strong>da</strong>s <strong>no</strong> mo<strong>de</strong>lo SOMOFIQ1, para os vários compostos em estu<strong>do</strong>.<br />
3.2 Simulação com o mo<strong>de</strong>lo SOMOFIQ<br />
3.2.1 Efeito <strong>da</strong> <strong>adsorção</strong> na concentração <strong>do</strong>s iões <strong>do</strong> nitrato, fosfato e amónio<br />
No mo<strong>de</strong>lo SOMOFIQ1 utilizou-se a cinética <strong>de</strong> Freundlich, para <strong>de</strong>screver a <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong> ião<br />
nitrato e a <strong>de</strong> Langmuir para <strong>de</strong>screver a <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong>s iões fosfato e amónio. Os resulta<strong>do</strong>s <strong>da</strong>s<br />
simulações efectua<strong>da</strong>s para o ião nitrato ao fim <strong>de</strong> 365 dias são apresenta<strong>do</strong>s na Figura 6, para o<br />
cenário 1 (cenário <strong>de</strong> referência, <strong>adsorção</strong> <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> <strong>no</strong> <strong>solo</strong>) e na Figura 7, para o cenário 3<br />
(saturação <strong>da</strong> coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong> com <strong>nutrientes</strong>). Resulta<strong>do</strong>s idênticos foram obti<strong>do</strong>s para os iões fosfato e<br />
amónio.<br />
Concentração <strong>de</strong> nitrato/(mg/L)<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Tempo/(d)<br />
Superfície 0.5 m 1.0 m 1.5 m 2.0 m<br />
Figura 6 – Variação <strong>da</strong> concentração <strong>do</strong> nitrato na água intersticial a várias profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>s na coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong> – Cenário 1.<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
7
Concentração <strong>de</strong> nitrato/(mg/L)<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Tempo/(d)<br />
Superficie 0.5 m 1.0 m 1.5 m 2.0 m<br />
Figura 7 – Variação <strong>da</strong> concentração <strong>do</strong> nitrato na água intersticial a várias profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>s na coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong> – Cenário 3.<br />
A Tabela 2 sumaria as concentrações <strong>do</strong>s iões nitrato, fosfato e amónio obti<strong>da</strong>s por simulação, a 2 m<br />
<strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>, para os cenários 1 e 3.<br />
Tabela 2 – Resulta<strong>do</strong>s <strong>de</strong> simulação, após um perío<strong>do</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> 365 dias, para a concentração <strong>do</strong>s iões nitrato,<br />
fosfato e amónio (2.00 m <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>).<br />
Concentração/(mg/L)<br />
Cenário 1 Cenário 3<br />
Nitrato 0.250 27.140<br />
Fosfato 0.000 1.181<br />
Amónio 0.023 1.181<br />
3.2.2 Avaliação <strong>de</strong> risco <strong>de</strong> <strong>de</strong>scargas extremas <strong>de</strong> águas residuais <strong>no</strong> <strong>solo</strong><br />
Com o objectivo <strong>de</strong> avaliar o tipo <strong>de</strong> resposta <strong>do</strong> <strong>solo</strong> a uma eventual sobrecarga <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong>,<br />
simulou-se uma <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> água residual em <strong>do</strong>is perío<strong>do</strong>s distintos, sem e com precipitação (Figura<br />
8), com uma concentração quatro vezes superior ao valor médio durante 15 dias (Cenário 2).<br />
Associação Portuguesa <strong>do</strong>s Recursos Hídricos<br />
8
Precipitação/(mm)<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
1º impulso<br />
2º impulso<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Tempo/(d)<br />
Figura 8 – Precipitação em função <strong>do</strong> tempo e perío<strong>do</strong>s <strong>de</strong> sobrecarga <strong>de</strong> <strong>nutrientes</strong> (tempo seco e tempo húmi<strong>do</strong>).<br />
A Tabela 3 mostra as concentrações simula<strong>da</strong>s para ca<strong>da</strong> ião à profundi<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> 2 m, após 365<br />
dias, e a respectiva variação <strong>da</strong> concentração relativamente aos valores simula<strong>do</strong>s <strong>no</strong> cenário 1<br />
(cenário <strong>de</strong> referência).<br />
Tabela 3 – Concentrações simula<strong>da</strong>s <strong>do</strong>s iões <strong>no</strong>s cenários 1 e 2 e respectiva variação.<br />
Concentração/(mg/L)<br />
Variação/%<br />
Cenário 2 (C2) Cenário 1 (C1) [(C2/C1)-1]·100<br />
Nitrato 0.420 0.250 25<br />
Fosfato 0.000 0.000 0<br />
Amónio 0.152 0.120 27<br />
3.3 Análise <strong>de</strong> sensibili<strong>da</strong><strong>de</strong>.<br />
No intuito <strong>de</strong> contribuir para i<strong>de</strong>ntificar os parâmetros <strong>da</strong>s isotérmicas que mais afectam as<br />
concentrações simula<strong>da</strong>s, efectuou-se uma análise <strong>de</strong> sensibili<strong>da</strong><strong>de</strong>. No caso <strong>da</strong> isotérmica <strong>de</strong><br />
Langmuir, e utilizan<strong>do</strong> o ião fosfato como exemplo, os resulta<strong>do</strong>s simula<strong>do</strong>s indicaram que diminuin<strong>do</strong><br />
K em 50 % (K = 0.85 mg/L) e manten<strong>do</strong> constante Smáx, a concentração <strong>de</strong> fosfato diminui 31 %. Por<br />
outro la<strong>do</strong>, incrementan<strong>do</strong> K em 50 % (2.55 mg/L) verificou-se que há uma diminuição <strong>de</strong> 23 % na<br />
concentração <strong>do</strong> fosfato. Para a análise <strong>de</strong> sensibili<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong> parâmetro Smáx, efectuou-se uma<br />
simulação manten<strong>do</strong> K constante (1.7 mg/L) e reduzin<strong>do</strong> Smáx em 50 % (Smáx = 130 mg/kg), ten<strong>do</strong>-se<br />
verifica<strong>do</strong> que esta variação induz uma resposta linear na concentração <strong>do</strong> fosfato.<br />
No caso <strong>da</strong> isotérmica <strong>de</strong> Freundlich e relativamente ao parâmetros KF verifica-se que para um<br />
aumento <strong>de</strong>ste em 50 % (KF = 0,0291), e manten<strong>do</strong> α constante, a concentração <strong>do</strong> nitrato sofreria<br />
uma diminuição <strong>de</strong> 67%. Por outro la<strong>do</strong>, uma diminuição <strong>de</strong> KF para um valor 50 % inferior ao original<br />
(KF = 0.0097), os resulta<strong>do</strong>s <strong>de</strong> simulação indicam que haverá um aumento <strong>de</strong> 254 % na concentração<br />
<strong>do</strong> nitrato. No que diz respeito ao parâmetro α, provocou-se um aumento <strong>de</strong>ste em 5 % (α =1),<br />
manten<strong>do</strong> KF constante. Nestas condições, os resulta<strong>do</strong>s simula<strong>do</strong>s indicam que a concentração <strong>de</strong><br />
nitrato diminui 57%. Ain<strong>da</strong> manten<strong>do</strong> KF constante, fez-se também uma diminuição <strong>de</strong> 37 % <strong>no</strong> valor <strong>de</strong><br />
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9
α (α=0.6). Neste caso, os resulta<strong>do</strong>s <strong>da</strong> simulação indicam que a concentração <strong>de</strong> nitrato passou <strong>de</strong><br />
0.250 mg/L para 12.380 mg/L, o que representa um aumento <strong>de</strong> 4852 % na concentração <strong>de</strong>ste ião. A<br />
Tabela 4 apresenta a variação na concentração simula<strong>da</strong> em função <strong>da</strong> variação <strong>do</strong>s parâmetros <strong>da</strong>s<br />
isotérmicas.<br />
Tabela 4 – Variação <strong>do</strong>s parâmetros <strong>da</strong>s isotérmicas e consequente variação na concentração<br />
Langmuir<br />
Freundlich<br />
Coeficientes Variação Resposta <strong>da</strong> concentração<br />
Smáx<br />
-<br />
- 50 %<br />
-<br />
+ 50 %<br />
K<br />
+ 50 %<br />
- 50 %<br />
+ 23 %<br />
- 31 %<br />
α<br />
+ 5.5 %<br />
- 36,7%<br />
- 57 %<br />
+ 4 850%<br />
KF<br />
+ 50 % - 67 %<br />
- 50% + 254 %<br />
4 DISCUSÃO<br />
Os resulta<strong>do</strong>s obti<strong>do</strong>s <strong>no</strong> presente estu<strong>do</strong> indicaram que haverá uma <strong>adsorção</strong> preferencial <strong>de</strong><br />
fosfato para valores inferiores 20 mg/L e que, para valores superiores, será o nitrato que mais<br />
adsorverá à matriz <strong>do</strong> <strong>solo</strong>. A <strong>adsorção</strong> preferencial <strong>de</strong> aniões po<strong>de</strong>rá estar associa<strong>da</strong> a gran<strong>de</strong>s<br />
quanti<strong>da</strong><strong>de</strong>s <strong>de</strong> óxi<strong>do</strong>s <strong>de</strong> ferro presentes <strong>no</strong> <strong>solo</strong> (<strong>solo</strong> ferralítico). O amónio mostra ter o me<strong>no</strong>r<br />
potencial <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong>, facto que se presume resultar <strong>da</strong> carga positiva que apresenta, indican<strong>do</strong> que o<br />
perfil <strong>de</strong> <strong>solo</strong> testa<strong>do</strong> teria uma fraca capaci<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> troca catiónica. Em hipótese, o facto <strong>do</strong> fosfato<br />
adsorver preferencialmente em relação ao nitrato po<strong>de</strong> <strong>de</strong>ver-se à carga iónica <strong>do</strong>s compostos e ao<br />
tipo <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> que estes apresentam: o fosfato é um ião trivalente negativo pelo que será mais<br />
rapi<strong>da</strong>mente adsorvi<strong>do</strong> em relação ao nitrato, um ião mo<strong>no</strong>valente. Além disso, os óxi<strong>do</strong>s <strong>de</strong> ferro são<br />
minerais que apresentam gran<strong>de</strong> afini<strong>da</strong><strong>de</strong> para a <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong> fosfato, facto que justificaria a<br />
preferencial <strong>adsorção</strong> <strong>de</strong>ste nutriente; caso fosse prova<strong>da</strong> a existência <strong>do</strong>s referi<strong>do</strong>s óxi<strong>do</strong>s <strong>no</strong> <strong>solo</strong> em<br />
estu<strong>do</strong>. (RHOTON, F., BIGHAM, J., 2005).<br />
Verifica-se que o fosfato adsorve segun<strong>do</strong> uma isotérmica <strong>de</strong> Langmuir o que, se consi<strong>de</strong>rarmos<br />
o princípio teórico a que está associa<strong>do</strong> esta isotérmica, sugeriria a formação <strong>de</strong> uma mo<strong>no</strong>cama<strong>da</strong> e a<br />
obtenção <strong>de</strong> um valor máximo <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> (FIGUEIREDO, J., RIBEIRO, F. 1989). Pelo contrário, o<br />
nitrato formaria várias cama<strong>da</strong>s <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong>, provavelmente por ter me<strong>no</strong>r carga negativa <strong>do</strong> que o<br />
fosfato, o que diminuiria o efeito <strong>de</strong> repulsão <strong>de</strong>vi<strong>do</strong> a cargas idênticas. Além disso, o nitrato é uma<br />
molécula <strong>de</strong> me<strong>no</strong>r raio iónico relativamente ao fosfato, o que po<strong>de</strong>rá permitir uma melhor distribuição<br />
<strong>da</strong>s moléculas. Assim, a quanti<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> fosfato adsorvi<strong>da</strong> atingirá um esta<strong>do</strong> <strong>de</strong> saturação, enquanto<br />
que o nitrato continuará a adsorver cama<strong>da</strong> após cama<strong>da</strong>, pelo que se verificará maior quanti<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
nitrato adsorvi<strong>do</strong> <strong>do</strong> que fosfato.<br />
No caso <strong>da</strong>s simulações e ten<strong>do</strong> por base o mo<strong>de</strong>lo SOMOFIQ, os resulta<strong>do</strong>s indicam que <strong>no</strong><br />
cenário 1, a concentração <strong>de</strong> nitrato na água intersticial será <strong>de</strong> 0.25 mg/L (valor presumivelmente<br />
atingi<strong>do</strong> após um a<strong>no</strong> <strong>de</strong> operação - Figura 6). Esta concentração é cerca <strong>de</strong> 100 vezes inferior ao que<br />
é obti<strong>do</strong> <strong>no</strong> cenário 3, em que a concentração <strong>de</strong> nitrato é <strong>de</strong> 27 mg/L (Figura 7). Ain<strong>da</strong> relativamente<br />
ao cenário 3, os resulta<strong>do</strong>s mostram que a concentração <strong>de</strong> nitrato na água intersticial <strong>da</strong> coluna será<br />
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10
igual em to<strong>do</strong>s os níveis, até 2.00 m <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>, para um tempo <strong>de</strong> operação superior a um a<strong>no</strong>.<br />
Isto significa que, após se ter atingin<strong>do</strong> a saturação <strong>da</strong> coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong> (momento em que <strong>de</strong>ixa <strong>de</strong><br />
haver <strong>adsorção</strong>), será possível continuar com a <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> água <strong>no</strong> <strong>solo</strong> por um a<strong>no</strong> para que a<br />
concentração <strong>do</strong> nitrato seja igual em to<strong>do</strong>s os níveis <strong>da</strong> coluna, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> a superfície até à profundi<strong>da</strong><strong>de</strong><br />
crítica. Neste cenário, verifica-se o mesmo efeito, para os iões <strong>do</strong> fosfato e amónio.<br />
Por outro la<strong>do</strong>, <strong>no</strong> que respeita aos resulta<strong>do</strong>s obti<strong>do</strong>s para o cenário 2, apresenta<strong>do</strong>s na Tabela<br />
3, verifica-se que capaci<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>do</strong> <strong>solo</strong> absorver impulsos <strong>de</strong> concentração é muito razoável. O efeito<br />
faz-se sentir mais intensamente para o amónio com um aumento <strong>de</strong> 27% na concentração<br />
relativamente ao cenário <strong>de</strong> referência (cenário 1), a 2 m <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>. No entanto, este resulta<strong>do</strong><br />
era teoricamente espera<strong>do</strong> visto que este é o nutriente que me<strong>no</strong>s adsorve ao <strong>solo</strong> como verifica<strong>do</strong><br />
experimentalmente. O nitrato sofre também um aumento <strong>de</strong> 25% sobre a concentração simula<strong>da</strong> <strong>no</strong><br />
cenário <strong>de</strong> referência. Embora esta variação seja numericamente semelhante à verifica<strong>da</strong> para a<br />
concentração <strong>de</strong> amónio, <strong>de</strong>ve referir-se que a concentração <strong>de</strong>ste à entra<strong>da</strong> <strong>do</strong> <strong>solo</strong> é cerca <strong>de</strong> 8<br />
vezes inferior à concentração <strong>do</strong> nitrato. Relativamente ao fosfato, não se registam alterações na<br />
concentração, a 2 m <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>. Este facto indica que, nas condições aplica<strong>da</strong>s, o <strong>solo</strong> absorve<br />
totalmente os impulsos <strong>de</strong> concentração para o fosfato o que, conforme referi<strong>do</strong>, se encontra em<br />
conformi<strong>da</strong><strong>de</strong> com os testes efectua<strong>do</strong>s para <strong>de</strong>terminação <strong>do</strong>s parâmetros <strong>da</strong>s isotérmicas <strong>de</strong><br />
<strong>adsorção</strong> <strong>de</strong>ste nutriente.<br />
5 CONCLUSÕES<br />
O tipo <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong>signa<strong>do</strong> por filtro ver<strong>de</strong> constitui uma alternativa a pon<strong>de</strong>rar para o<br />
tratamento terciário <strong>de</strong> águas residuais urbanas, sen<strong>do</strong> que a capaci<strong>da</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> <strong>do</strong>s compostos<br />
por parte <strong>do</strong> <strong>solo</strong> torna interessante este tipo <strong>de</strong> processo. Com efeito, após um a<strong>no</strong> <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga, a<br />
concentração <strong>de</strong> nitrato é <strong>de</strong> 0.250 mg/L, a concentração <strong>de</strong> fosfato é <strong>de</strong> 0.000 mg/L e a concentração<br />
<strong>de</strong> amónio é <strong>de</strong> 0.023 mg/L.<br />
Verificou-se que o sistema amortece, <strong>de</strong> forma satisfatória, possíveis impulsos <strong>de</strong> concentração<br />
<strong>do</strong>s <strong>nutrientes</strong>, o que minimiza o risco <strong>de</strong> contaminação <strong>do</strong> aquífero. Em relação ao fosfato, o impulso<br />
<strong>de</strong> concentração é totalmente amorteci<strong>do</strong> na coluna <strong>de</strong> <strong>solo</strong>. Relativamente aos restantes <strong>nutrientes</strong>,<br />
ocorre um aumento <strong>de</strong> 25 % na concentração <strong>de</strong> nitrato e um aumento <strong>de</strong> 27 % na concentração <strong>do</strong><br />
amónio em relação ao cenário <strong>de</strong> referência, a 2 m <strong>de</strong> profundi<strong>da</strong><strong>de</strong>.<br />
Deve ain<strong>da</strong> referir-se que, ten<strong>do</strong>-se efectua<strong>do</strong> uma análise <strong>de</strong> sensibili<strong>da</strong><strong>de</strong> aos parâmetros <strong>da</strong>s<br />
isotérmicas <strong>de</strong> <strong>adsorção</strong> <strong>de</strong>termina<strong>da</strong>s experimentalmente, verificou-se que o mo<strong>de</strong>lo é bastante<br />
sensível aos parâmetros <strong>da</strong> isotérmica <strong>de</strong> Freundlich, particularmente para α , constante exponencial<br />
<strong>de</strong>sta isotérmica.<br />
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