Remoção de fósforo e produção de cana-de-açúcar em zonas húmidas construídas para tratamento de efluentes

Abstract

A tecnologia das zonas húmidas construídas (ZHC) constitui uma solução ecológica e sustentável para o tratamento de efluentes, mas os custos dos materiais utilizados no enchimento dos leitos pode dificultar o desenvolvimento desta tecnologia. Assim, é importante a procura de materiais de baixo custo, como resíduos ou desperdícios industriais, que sejam eficazes na remoção de poluentes e que também sustentem as plantas, pois para além do enchimento, as macrófitas são outro componente fundamental das ZHC. A utilização de plantas adequadas contribui para a eficácia e sustentabilidade destes sistemas, onde a valorização da biomassa vegetal produzida deverá constituir uma fonte potencial de rendimento. Neste contexto, a utilização de culturas energéticas, em vez de macrófitas tradicionais, será uma mais-valia adicional. Com vista à selecção de resíduos ou desperdícios para utilização em ZHC para remoção de fósforo, realizaram-se ensaios de adsorção com diversos materiais. Com os resultados obtidos escolheram-se quatro materiais (FiltraliteNR, basalto, calcário e tijolo) para serem utilizados como enchimentos de ZHC laboratoriais para avaliação da adaptação da cana-de-açúcar (planta seleccionada neste estudo) a leitos alagados e da eficiência de remoção de fósforo. A partir dos resultados obtidos nestas unidades laboratoriais foram escolhidos dois materiais (calcário e tijolo) que foram utilizados como enchimentos de quatro ZHC piloto, sendo duas plantadas com cana-de-açúcar e outras duas deixadas sem plantas. Ao longo de dois anos monitorizou-se a remoção de fósforo e o desenvolvimento das canas-de-açúcar, para além de se ter também avaliado a produtividade de cana e de sacarose. Nas ZHC com tijolo, a média de remoção de fósforo foi de 76% para a unidade com cana-de-açúcar e de 63% para a unidade de controlo, só com tijolo. No caso das ZHC com calcário, os valores correspondentes foram 68% e 56%, respectivamente. As produtividades anuais de cana-de-açúcar variaram entre 70 e 120 ton ha-1 e as de sacarose variaram entre 7,6 e 11,7 ton ha-1, sendo as mais elevadas obtidas na ZHC com fragmentos de tijolo. Concluiu-se assim, que quer os fragmentos de calcário e de tijolo, quer a cana-de-açúcar, podem ser utilizados em ZHC para remoção de fósforo, obtendo-se eficiências da mesma ordem de grandeza daquelas obtidas em ZHC com macrófitas tradicionais, mas com a vantagem da sacarose dos caules das canas-de-açúcar poder ser convertida em bioetanol. Nas ZHC piloto foram ainda realizados ensaios hidráulicos com traçador e determinadas as curvas de distribuição de tempos de residência e os parâmetros de eficiência hidráulica, e foram depois utilizados nos ajustes a diversos modelos matemáticos para a remoção de fósforo e determinadas as respectivas constantes cinéticas. O trabalho desenvolvido incluiu ainda uma aplicação pedagógica no ensino básico, onde foi abordada a tecnologia das ZHC para tratamento de efluentes, a eutrofização em meios hídricos e a reutilização de águas residuais tratadas.

Constructed wetlands (ZHC) technology is an ecological and sustainable solution for wastewater treatment, but the costs of the filling materials used in the beds may hamper the development of this technology. Thus, it is important to search for inexpensive materials such as industrial waste which are effective in removing pollutants and also support the plants, since besides filling, the weeds are another key component of ZHC. Hence, the use of suitable plants will contribute to the effectiveness and sustainability of these treatment systems, were the produced biomass can be a potential source of income. In this context, the use of energy crops instead of traditional macrophytes is an additional add value advantage. Therefore, with respect to the selection of low cost filling materials for phosphorus removal in ZHC, it was performed adsorption experiments with several solids. With the results obtained, four materials were chosen (FiltraliteNR, basalt, limestone and brick) to be used as filling materials in lab-scale ZHC for the evaluation of sugarcane adaptation (plant chosen for this study) to flooded bed and phosphorus removal efficiency. From the results obtained in these lab units, two materials were selected (limestone and brick) and used as filling materials in four pilot scale ZHC, two of them planted with sugarcane and two without plants. Over two years, phosphorus removal and sugarcane development were monitored, as well as it was assessed the productivity of cane and sucrose. In ZHC with brick, the average phosphorus removal was 76% for the unit with sugarcane and 63% for the control unit, with just brick. In the case of ZHC with limestone, the corresponding values were 68% and 56%, respectively. The sugarcane yield varied between 70 and 120 ton ha-1 and sucrose yield varied between 7.6 and 11.7 tons ha-1, with the highest values obtained for ZHC with brick fragments. Hence, it can be concluded that either limestone and brick fragments or sugarcane can be used in ZHC thechnology for phosphorus removal, with similar efficiencies as those obtained in ZHC with traditional macrophytes, but with the advantage of sucrose stalks can be further converted into bioethanol. In the pilot ZHC units were also performed hydraulic tracer tests and determined the time residence time distribution curves and the hydraulic efficiency parameters, which were further used in the adjustments to different mathematical models for phosphorus removal and determined the respective kinetic constants. The work also included an educational application in basic education, which addressed ZHC technology for wastewater treatment, eutrophication in water resources and the reuse of treated wastewater.