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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁCENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA
ESTUDO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA E DO POTENCIAL DE LIXIVIAÇÃO DE FÓSFORO EM COLUNAS DE SOLO COMPACTADO
JANETE TEREZINHA CHIMBIDA
Cascavel – PR2006
JANETE TEREZINHA CHIMBIDA
ESTUDO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA E DO POTENCIAL DE LIXIVIAÇÃO DE FÓSFORO EM COLUNAS DE SOLO COMPACTADO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Agrícola. Área de concentração Engenharia de Recursos Hídricos e Meio Ambiente.
Orientador: Prof. Dr. Décio Lopes Cardoso
Cascavel – PR2006
JANETE TEREZINHA CHIMBIDA
ESTUDO DA CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA E DO POTENCIAL
DE LIXIVIAÇÃO DE FÓSFORO EM COLUNAS DE SOLO
COMPACTADO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Agrícola em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Engenharia Agrícola. Área de concentração Engenharia de
Recursos Hídricos e Meio Ambiente, aprovada pela seguinte banca
examinadora:
Orientador: Prof. Dr Décio Lopes Cardoso
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, UNIOESTE
PROFa. Dra. Simone Damasceno Gomes
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, UNIOESTE
Prof. Dr. Ajadir Fazolo
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, UNIOESTE
Prof. Dr. Fernando Hermes Passing
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Cascavel, 29 de maio de 2006.
ii
Dedico com amor e carinho
à minha família.
ii
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Décio Lopes Cardoso, meu orientador, pelo apoio, pelas
sugestões que me ajudaram a encontrar meu próprio caminho e, sobretudo,
por acreditar em mim.
Aos professores Ajadir Fazolo e Simone Damasceno Gomes, pelas
sugestões e contribuição, por ocasião do Exame de Qualificação.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Agrícola, por terem me deixado aprender com eles.
Aos meus colegas, por terem me dado a oportunidade de conhecê-los
e criar laços de companheirismo. Especialmente aos colegas que colaboraram
na execução do trabalho e ao Dirceu de Melo, pelo fornecimento da água
residuária.
As pessoas que contribuíram para a montagem e execução do meu
trabalho, em especial aos meus colaboradores Rafael Augusto Ferreira e
Osmar Luiz Chimbida, ao Sr. Antônio e Andréia Bonini.
Ao CNPq, pela bolsa de estudo no período de janeiro de 2005 à
fevereiro de 2006.
i
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 1
1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 5
1.2 REVISÃO DE LITERATURA ......................................................................... 5
1.2.1 Compactação do Solo ................................................................................ 5
1.2.2 Uso do Solo Compactado para Revestimento .......................................... 10
1.2.3 Sistemas de Contenção de Rejeitos ......................................................... 12
1.2.4 Infiltração de Fosfato ............................................................................... 16
1.3 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................ 18
1.3.1 Preparo do Solo ....................................................................................... 18
1.3.2 Origem e Caracterização do Efluente de Suínos ..................................... 20
1.3.3 Montagem das Colunas ............................................................................ 21
1.3.4 Determinação da Condutividade Hidráulica ............................................. 23
1.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................... 25
1.5 SUGESTÕES PARA FUTURAS INVESTIGAÇÕES ................................... 37
1.6 CONCLUSÃO .............................................................................................. 38
REFERÊNCIAS ................................................................................................ 39
2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 46
2.2 REVISÃO DE LITERATURA ....................................................................... 46
2.1.1 Propriedades Coloidais do Solo ............................................................... 46
2.1.2 Migração e Acumulação de Solutos no Solo ............................................ 49
2.2 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................ 55
2.2.1 Análise Química do Solo .......................................................................... 55
2.2.2 Tratamento dos Dados ............................................................................. 56
2.3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................... 56
2.4 SUGESTÕES PARA FUTURAS INVESTIGAÇÕES ................................... 66
2.5 CONCLUSÃO .............................................................................................. 67
REFERÊNCIAS ................................................................................................ 68
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Ensaios de compactação: condutividade hidráulica - argila Siburua.
.................................................................................................. 6@~
Figura 1.2- Curvas de Proctor de um mesmo solo, compactado em diferentes
energias.................................................................................... 7@~
Figura 1.3 - Curvas de compactação de 5 solos de Minas Gerais................ 9@~
Figura 1.4 - Imagem de uma argila compactada em diferentes teores de
umidade.................................................................................. 10@~
Figura 1.5 - Perfil típico de sistemas revestidos com solo compactado...... 11@~
Figura 1.6 - Comparação da condutividade hidráulica durante o tempo com
uma coluna inoculada (○) e outra coluna controle estéril (●)..14@~
Figura 1.7 - Produção de polissacarídeos pelos microorganismos............. 15@~
Figura 1.8 - Cilindro e o soquete de Proctor................................................ 20@~
Figura 1.9 - Esquema da coluna de solo..................................................... 22@~
Figura 1.10 - Esquema do desenvolvimento do experimento. ....................23@~
Figura 1.11 - Curva de compactação de Proctor normal para o Latossolo
Vermelho distroférrico típico, utilizado no experimento.......... 26@~
Figura 1.12 - Condutividade hidráulica........................................................ 28@~
Figura 1.13 - Regressão da condutividade hidráulica do solo com adição dos
efluentes: E1, efluente de suíno bruto; E2, efluente de suíno
diluído..................................................................................... 28@~
Figura 1.14 - Condutividade elétrica (CE).................................................... 32@~
Figura 1.15 - pH no percolado..................................................................... 33@~
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Coeficiente de infiltração para diferentes tipos de solos..........12@~
Tabela 1.2 - Características físicas do solo................................................. 18@~
Tabela 1.3 - Parâmetros físico-químicos das águas residuárias................. 21@~
Tabela 1.4 - Características físicas do solo compactado nas colunas........ 26@~
Tabela 1.5 - Parâmetros físico-químicos das águas residuárias................. 31@~
Tabela 1.6 - Graus de compactação............................................................ 36@~
v
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
CE - Condutividade elétrica
sγ- Densidade seca
maxsγ - Densidade seca máxima
campoγ - Densidade seca no campo
colunasγ - Densidade seca nas colunasLE - Latossolo Vermelho-Escuro distroférricoLV - Latossolo vermelho-Amarelo distroféricoLR - Latossolo Roxo distroférricoPV - Podzólico Vermelho-Amarelo distroférrricoCd - Cabissolo distróficoDQO - Demanda química de oxigênioDBO - Demanda bioquímica de oxigênioST - Sólidos totaisETE - Estação de tratamento de esgotoNEEA - Núcleo Experimental de Engenharia AgrícolaTSFA - Terra fina seca ao arE - Energia de compactação (Joule/m3)Eexperimental - Energia de compactação no experimento (Joule/m3)P - Peso do pilão (N)hq - Altura de queda (m)N - Número de golpes por camadan - Número de camadasnexperimental - Número de camadas no experimentoVc - Volume do molde (m3).Vexperimental - Volume do molde no experimento (m3).K - Condutividade hidráulicaKo - Condutividade hidráulica do solo inicialKf - Condutividade hidráulica do solo finalCo - Concentração no fluído inicialC - Concentração no fluído finalC/Co - Concentração relativav - ValênciaT - Temperatura
Q1
- Constante, resultado da interação físico-química entre
o soluto e o soloD - Constante dielétricaVP - Volume de porosH = Ψ - Potencial hidráulico
pΨ - Pressões positivasmΨ - Pressões negativas
v
gΨ - Componente gravitacionalH∇ - Gradiente hidráulico
V - Volume percoladoz - Altura de solo na colunah - Altura de líquido na colunaq - Densidade de fluxo da água (m3/m2.s)A - Área da base da colunat - Tempo (s)ws = WS - Teor de umidade do ramo secowo = WO - Teor ótimo de umidadewu = WU - Teor de umidade do ramo úmidoE1 - Efluente de suíno brutoE2 - Efluente de suíno diluídoE3 - Água destiladaα - PorosidadeCG - Grau de compactaçãoPCZ - Ponto de carga zeroCTC - Capacidade de troca de cátions
oΨ - Potencial elétrico de superfícieS - Incremento superior da matriz do solo na colunaB - Incremento inferior da matriz do solo na colunaMO - Teor de matéria orgânica
i
RESUMO
A presente pesquisa foi desenvolvida na Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE – Campus de Cascavel, utilizando o Laboratório de Geotecnia para a montagem do experimento e o Laboratório de Saneamento para a realização das análises químicas. Os resíduos líquidos e sólidos provenientes dos processos e atividades agroindustriais têm como característica comum a alta carga de nutrientes, sobretudo Nitrogênio e Fósforo. Quando esses materiais são dispostos em um sistema de contenção de rejeitos, sem a correta impermeabilização, pode ocorrer a contaminação das águas subterrâneas. O objetivo deste trabalho foi verificar a qualidade do Latossolo Vermelho distroférrico típico, de larga ocorrência regional, compactado, em relação à permeabilidade; ao potencial de lixiviação do fosfato; à acumulação do fosfato no solo e às alterações ocorridas na matriz do solo, após a percolação do efluente de suíno. O experimento foi conduzido em escala de laboratório, montando-se um total de 27 colunas de tubos de PVC, de 1,15 m de comprimento e 0,10 m de diâmetro, compactado na base 0,03 m de solo em três teores de umidade (28, 32 e 36%) e aplicado efluente de suíno bruto (E1), efluente de suíno diluído (E2) e água destilada (E3), com três repetições. Deixou-se percolar por no máximo 15 dias ou 8 vezes o volume total de poros (VP), recolhendo-se amostras de 25 mL, para avaliação do pH, da condutividade elétrica (CE) e da concentração de fosfato. Em seguida, as colunas foram desmontadas, removendo-se a carga hidráulica e dividindo-se o solo em três incrementos: 0 a –1 cm, -1 a –2 cm e –2 a –3 cm. Nos incrementos superior e inferior, realizou-se a análise do teor de matéria orgânica (MO), fósforo total e fósforo assimilável e determinou-se o pH, o ponto de carga zero (PCZ) e o potencial elétrico de superfície, sendo que o incremento do meio foi descartado. Os resultados mostraram redução na permeabilidade com a aplicação de efluente de suíno a níveis que indicam uma possível colmatação; as medidas de condutividade elétrica (CE) foram menores que as iniciais nos efluentes. Verificou-se a retenção de partículas com um decréscimo no potencial de superfície no solo; quanto à percolação do fosfato, foi mínima e ocorreu nos tratamentos em que o solo não foi compactado adequadamente. A análise de solo mostrou que o fosfato ficou retido no incremento superior.
Palavras-chave: fosfato, infiltração, solo compactado.
x
ABSTRACT
To present research it was developed in the Universidade Estadual do Oeste do Paraná -UNIOESTE, using the Laboratório de Geotecnia for assembly of the experiment and the Laboratório de Saneamento for chemical analyses. The coming of the processes liquid and solid residues and activities agro industries have as characteristic common to high nutrients load, above all Nitrogen and Phosphorous. When these materials are disposed in a of wastes contention system without correct impermeabilization it can happen the contamination of the groundwater. The objective of this work is to verify the quality of typical distroferric Red Oxisol, of wide regional occurrence, compacted in what it says respect to the permeability; the lixiviation potential of the phosphate; accumulation of the phosphate in the soil and the alterations happened in the soil matrix after the percolation of the swine effluent. The experiment was driven in laboratory scale, being set up a total of 27 columns of PVC tubes, of 1,15m of length and 0,10m of diameter, being in the compacted base 0,03m of soil in three moisture contents (28, 32 and 36%) and applied gross swine effluent (E1), diluted swine effluent (E2) and distilled water (E3), making three repetitions, percolating for at the most 15 days or 8 times the total volume of pores (VP), picking up samples of 25 mL, evaluating the pH, CE and phosphate. Then the columns were dismounted, removing the hydraulic load and dividing the soil in three increments: 0 to -1 cm, -1 at -2 cm and -2 to -3 cm. Discarded the middle increment. It was conduced the analysis of the content organic matter (MO), total and uptake of phosphorous, it was also determined the pH, the zero point charge (ZPC) and the surface potential. The results showed reduction in the permeability with the application of swine effluent to at levels that indicate a possible colmatation; the measures of electric conductivity (CE) were smaller than the initials in the effluents, and the retention of particles was shown with an decrease in the soil surface potential; as the percolation of the phosphate, it was minimum and it happened in the treatments with the soil was not appropriately compacted. The soil analysis showed that the phosphate was retained in the superior increment.
Keywords: phosphate, infiltration, compacted soil.
x
1 INTRODUÇÃO
A pecuária e a agroindústria associadas aos setores de beneficiamento
de seus produtos, tais como laticínios e frigoríficos, são responsáveis por uma
grande produção de rejeitos, líquidos e sólidos.
As águas residuais têm em sua composição elevado teor de matéria
orgânica, que é degradada em diferentes processos nas estações de
tratamento de esgotos. Uma das opções de tratamento é a utilização de uma
série de lagoas de estabilização, que apesar de promoverem a degradação da
matéria orgânica, ainda apresentam uma elevada quantidade de nutrientes:
amônia, nitrato e fosfato (VON SPERLING, 1996a).
Esses nutrientes são importantes para o desenvolvimento de plantas e
algas em meios aquáticos, mas, quando se infiltram no solo eles se tornam
nocivos, pois podem chegar aos aqüíferos e contaminar as águas subterrâneas
Para evitar essa contaminação, há muitas opções para a construção de
sistemas de contenção de rejeitos, principalmente no que se refere à
impermeabilização do solo. (MALAVOLTA,1989; MAURER,BOSSANI &
SELBACH, 2000).
Uma das opções o para revestimento dos sistemas de contenção, e
mesmo de canais de irrigação, é a utilização de argila e solos argilosos e
siltosos, compactados adequadamente, que reduzem a perda de líquido e a
infiltração de contaminantes.
Por exemplo, na Austrália, onde as chuvas são escassas, 26% dos
canais de irrigação são revestidos com camadas de terras (como argilas
compactadas e solos compactados), que é uma opção de baixo custo, quando
as condições geotécnicas são favoráveis (ANCID, 2001a).
De acordo com USBR (1998), solos argilosos e siltosos, quando
adequadamente compactados, reduzem as perdas por percolação. Geralmente
o solo é compactado no teor ótimo de umidade, obtendo-se em campo a
densidade máxima de laboratório.
A importância do estudo do comportamento da compactação do
Latossolo Vermelho distroférrico típico da região Oeste do Paraná está na
abundância desse material em quase toda essa região, com pouca
variabilidade. Apresentando-se com um horizonte B muito argiloso
(aproximadamente 60% de argila) baixo teor de matéria orgânica (menos de
5%).
A compactação reduz a permeabilidade do solo, favorecendo a
implantação de sistemas de contenção de líquidos revestidos com solo
compactado, obtendo-se uma infiltração mínima e mantendo o nível da água
(ou água residuária) estável. Quando se constroem barragens de rejeitos que
contenham algum contaminante, é preciso saber qual o seu potencial poluidor
e como os efluentes das diferentes atividades pecuárias e agroindustriais, que
em geral, possuem elevada demanda bioquímica de oxigênio - DBO e uma
elevada carga de nutrientes, devem ser gerenciados de forma a poluir o
mínimo possível.
Considerando o exposto acima:
No Capítulo 1, avaliaram-se a condutividade hidráulica, o potencial de
lixiviação do fósforo e a movimentação de íons pelo monitoramento do pH e
condutividade elétrica (CE).
No Capítulo 2, desenvolveu-se uma análise do solo, observando a
retenção do fósforo e a distribuição de cargas nos colóides.
O estudo foi conduzido em escala de laboratório, procurando verificar a
permeabilidade do solo e o seu potencial quanto à infiltração de nutrientes,
aplicando-se dejetos de suínos, e as propriedades do solo compactado.
O objetivo foi avaliar a possibilidade de utilizar somente o solo da
região como elemento impermeabilizante da base de sistemas de contenção de
resíduos, o que se traduziria em baixos custos. Verificando-se a eficiência da
compactação em diferentes teores de umidade, com aplicação de efluente de
suíno, determinando-se o potencial de lixiviação do fósforo e avaliando-se a
relação entre condutividade hidráulica e grau de compactação e a influência da
água residuária na adsorção do fósforo pelo solo e da alteração de cargas
superficiais.
2
CAPÍTULO 1
ASPECTOS FÍSICO-QUÍMICOS NA PERMEABILIDADE DE UM SOLO COMPACTADO
RESUMO
O trabalho avaliou o efeito do efluente de suíno em um solo compactado. Inicialmente verificando-se a permeabilidade e a lixiviação de sais e fosfato. O experimento foi conduzido em escala de laboratório, montando-se um total de 27 colunas de PVC, de 1,15 m de comprimento e 0,10 m de diâmetro, compactado na base 0,03 m de solo em três teores de umidade (28, 32 e 36%) e aplicado efluente de suíno bruto (E1), efluente de suíno diluído (E2) e água destilada (E3), com três repetições; percolando por no máximo 15 dias ou 8 vezes o volume total de poros (VP). Recolheram-se amostras de 25 mL, avaliando o pH, CE e fosfato. Os resultados mostram: redução da condutividade hidráulica, quando aplicado efluente de suíno bruto, tendendo a uma possível colmatação dos poros do solo, em poucos dias; a compactação no teor de umidade (28%) não reduz as perdas de água e efluente diluído; parte dos íons responsáveis pela CE dos efluentes ficou retida no solo, pois a CE final do percolado é menor que a inicial. Mostraram também que o íon fosfato ficou retido na coluna, pois a concentração percolada é muito inferior àquela presente nos efluentes e ocorreu apenas em alguns casos. Outros estudos são sugeridos, pois não foi possível avaliar o comportamento do nitrato que é muito solúvel em água e não reage com os colóides do solo.
Palavras-chave: Efluente de suíno, percolação, grau de compactação.
3
ABSTRACT
The work evaluated the effect of the swine effluent in a compacted soil. Initially was verified the permeability and the salts and phosphate lixiviation. The experiment was driven in laboratory scale, being set up a total of 27 columns of PVC, of 1,15m of length and 0,10m of diameter, being in the compacted base 0,03m of soil in three moisture contents (28, 32 and 36%) and applied gross swine effluent (E1), diluted swine effluent (E2) and distilled water (E3), making three repetitions; percolating for at the most 15 days or 8 times the total volume of pores (VP), picking up samples of 25 mL, evaluating the pH, CE and phosphate. The results show reduction of the hydraulic conductivity when applied gross swine effluent, tending in a few days to a possible soil pores colmatation; the compaction in the moisture contents 28% doesn't reduce the losses of water and diluted swine effluent; fractions of the responsible ions for CE of the effluents they were retained in the soil, because final CE of the percolated is smaller than the initial; they also show that the ion phosphate was retained in the column, because the concentration percolated is very inferior that present in the effluents and it just happened in some cases. Other studies are suggested because it was not possible to evaluate the behavior of the nitrate that is very soluble in water and it doesn't react with the soil coloids.
Keywords: swine effluent, percolating, compaction degree.
4
1.1 INTRODUÇÃO
Um solo compactado tem uma redução no volume de vazios,
resultando em uma condutividade hidráulica menor que em solo natural. Essas
características são mais pronunciadas em solos argilosos, por isso eles são
adequados para o revestimento de canais de irrigação e sistemas de
contenção. Características do líquido, como a viscosidade, também tornam a
sua passagem mais lenta.
Em águas residuárias, a presença de sólidos orgânicos e inorgânicos
pode provocar o entupimento dos poros, precipitação de compostos
inorgânicos e complexações com as espécies presentes no meio, como o
fosfato.
Este capítulo objetiva:
•Determinar o grau de compactação em que a condutividade hidráulica
atende a valores aceitáveis pela legislação.
•Verificar a eficiência da compactação em diferentes teores de
umidade e da aplicação de efluente de suíno.
•Verificar o potencial de lixiviação do fosfato e sua retenção no solo.
1.2 REVISÃO DE LITERATURA
1.2.1 Compactação do Solo
Segundo LAMBE (1958), os solos arenosos não são bons para serem
compactados, comparativamente aos solos argilosos de diferentes
procedências. As características químicas de um determinado solo influenciam
no módulo das propriedades físicas. Por exemplo, um solo argiloso, com
5
grande superfície específica, desenvolve uma dupla camada que pode conter
íons de cargas opostas e atrair as partículas entre si ou então conter íons de
cargas iguais e repelir as partículas entre si. A adição de água ou outro fluído
que contenha íons na solução também pode interagir com a dupla camada do
solo e influenciar em sua estabilidade.
A permeabilidade de um solo depende da sua estrutura. Um mesmo
solo compactado em teores de umidades diferentes, resulta em condutividades
hidráulicas diferentes, como mostra a Figura 1.1.
Figura 1.1 - Ensaios de compactação: condutividade hidráulica - argila
Siburua.
6
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17Teor de umidade (%)
18
19
20
21
Den
sida
de (k
N m
)-3C
ondu
tivid
ade
hidr
áulic
a (m
s )
1x10
1x10
1x10 -11
-10
-9
-1
Fonte: Adaptado de LAMBE (1958).
Em laboratório, a compactação do solo pode ser realizada pelo método
de Proctor, em três níveis de energia: Proctor normal, modificado e
intermediário. Variando-se a energia de compactação e o teor de umidade
obtêm-se as três respectivas curvas para um único solo.
A Figura 1.2 mostra que a densidade seca máxima (maxsγ ) e o teor
ótimo de umidade (wo) dependem da energia de compactação. Observa-se que
quanto maior a energia de compactação maior é o valor da maxsγ e menor o
valor da wo. No Brasil esse ensaio é padronizado pela NBR 7182/86 (ABNT,
1986).
Figura 1.2- Curvas de Proctor de um mesmo solo, compactado em
diferentes energias.
7
Fonte: MASSARD (2003).
Em países com grandes variações climáticas (invernos rigorosos,
longos períodos de estiagem) surgem problemas nos revestimentos com solos
compactados como: rachaduras, erosão e fissuras ocasionadas por períodos
em que os canais ou reservatórios permanecem secos (McCONKEY; REIMER;
NICHOLAICHUK, 1990).
O solo destinado à agricultura também sofre degradação com as
intempéries. Para entender esses problemas, muitos estudos têm sido
realizados, entre eles o de BARZEGAR, RENGASAMY e OADES (1995).
Em trabalho sobre o comportamento da curva de compactação de
cinco solos da região de Lavras (MG), mostrou-se que diferentes classes de
solo apresentam comportamentos distintos, quando submetidos ao processo
de compactação, devido a vários fatores, tais como: energia de compactação,
textura, teor de matéria orgânica, teor de umidade e história de tensão. Foram
usadas cinco classes de solo Latossolo Vermelho-Escuro distroférrico (LE),
Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico (LV), Latossolo Roxo distrófico (LR),
Podzólico Vermelho-Amarelo distrófico (PV), Cambissolo distrófico (Cd) e o
ensaio de Proctor para obter a densidade máxima e a umidade ótima. Como
conclusão, obteve-se a seguinte ordem de densidades máximas de
compactação Cd > LV > PV > LE > LR, enquanto que para os teores de
umidade ótima a variação foi inversa Cd < LV < PV < LE < LR. Os efeitos
podem ser visualizados na Figura 1.3 (DIAS JUNIOR; MIRANDA, 2000).
8
5 10 15 20 25 30 35Teor de umidade (%)
12
13
14
15
16
17
Den
sida
de (k
N m
)
LR
LV
Cd
PV
LE
-3
Figura 1.3 - Curvas de compactação de 5 solos de Minas Gerais.
Fonte: Adaptado de DIAS JUNIOR e MIRANDA (2000).
Uma definição de compactação, dada por ANCID (2001a), estabelece
que: compactação é o processo pelo qual o tamanho dos poros é reduzido,
diminuindo o volume de ar e água. Essa redução no tamanho dos vazios
aumenta a densidade, a resistência compressiva e a resistência ao
cisalhamento do solo, reduzindo a sua permeabilidade, acompanhada por uma
redução no volume, ocorrendo recalque (deformação vertical) da superfície. A
compactação é apropriada essencialmente para aumentar a estabilidade,
diminuir a erosão e reduzir as perdas por percolação.
Conforme ROMERO, GENS e LLORET (1999), o grau de saturação vai
influenciar na permeabilidade relativa, sendo que os interagregados são os
responsáveis pela quase-imobilidade da água. A permeabilidade de um solo é
influenciada pelo tamanho dos poros, sua distribuição ou contribuição de poros
interconectados. Por outro lado, quando a compactação é realizada em teores
de umidades mais baixos ocorre predominância dos intra-agregados, o que
permite uma maior mobilidade da água.
A Figura 1.4 mostra a imagem de um solo compactado em dois
diferentes teores de umidade. As partes brancas representam as partículas de
solo e as partes escuras os poros do solo. Na imagem 1.4 (a) observamos uma
fusão dos intra-agregados e uma diminuição dos espaços vazios, maior
densidade e menor porosidade do solo, oposto ao que ocorreu com o solo da
imagem 1.4 (b), em que os agregados aparecem bem definidos e os espaços
vazios são maiores, tendo uma densidade menor e uma porosidade maior, o
que permite um maior fluxo de líquido.
9
Figura 1.4 - Imagem de uma argila compactada em diferentes teores de
umidade.
Fonte: ROMERO; GENS; LLORET, (1999 ).
1.2.2 Uso do Solo Compactado para Revestimento
A argila compactada é muito utilizada em obras de terras (na
construção de rodovias, de sistemas de contenção e canais). Em regiões
1
intra-agregados
inter-agregados
a) =sγ 16,7 kN/m3
porosidade = 0,37
b) =sγ 13,7 kN/m3,
porosidade= 0,48
agregado
5 µm
5 µm
áridas e semi-áridas é amplamente empregada na construção de canais de
irrigação e reservatórios de água (USBR, 1998; ANCID, 2001a).
A Figura 1.5 mostra o perfil típico de um reservatório de rejeitos ou
mesmo de canais, indicando a camada de terra compactada como
revestimento.
O solo compactado também é muito utilizado no revestimento de
sistemas de contenção de rejeitos, pois dá estabilidade ao terreno e reduz a
permeabilidade. Quando os rejeitos oferecem riscos ambientais, a
impermeabilização deve ser total.
Figura 1.5 - Perfil típico de sistemas revestidos com solo compactado.
Conforme USBR (1998) e ANCID (2001a), a impermeabilização da
base de um sistema de contenção pode ser obtida com
− uma camada de argila;
− revestimento asfáltico;
− mantas plásticas;
− geotextil mais geomembrana;
− geomembrana em polietileno de alta densidade (HDPE).
Entretanto, a redução da taxa de percolação pode ser alcançada por
meio de uma camada de argila bem compactada. A solução a ser adotada terá
um grande impacto no custo total do sistema e na sua viabilidade econômica.
O custo para revestimento com solo compactado tem grande variabilidade,
1
Revestimento com solo compactado
Efluente ou água
dependendo do tamanho da lagoa, qualidade do material utilizado e fontes do
material. Outros fatores que também podem influenciar no custo da obra são: o
transporte das máquinas até o local da obra, condições climáticas, teor ótimo
de umidade para compactação e necessidade de preparação de subgrade
(USBR, 1998).
A permeabilidade do terreno e a possível interferência com o lençol
freático devem ser objeto de estudos, efetuados por meio de sondagens
geotécnicas. A Tabela 1.1 mostra o coeficiente de infiltração de diferentes tipos
de solos. Deve-se considerar que, com freqüência, os locais de possível
implantação de estação de tratamento de esgotos situam-se em brejos, áreas
alagadiças ou com elevado nível do lençol freático. A permeabilidade do fundo
tende a diminuir com o tempo, em função da colmatação ocasionada pelos
sólidos do esgoto e pela biomassa. Em condições favoráveis, as perdas por
infiltração são da ordem de 10% da vazão da lagoa e, freqüentemente,
inferiores a 1% (ANCID, 2001b).
Tabela 1.1 - Coeficiente de infiltração para diferentes tipos de solos
CLASSIFICAÇÃO COEFICIENTE DE INFILTRAÇÃO(L.m-2.dia)
Argila - Lodo argiloso 82 - 305
Silt - Lodo siltoso 341
Areia - Lodo arenoso 201 - 533
Cascalho 512 - 1829
Fonte: Adaptado de ANCID (2001a).
1.2.3 Sistemas de Contenção de Rejeitos
No Brasil as lagoas de estabilização são muito indicadas devido à
disponibilidade de área na maioria das localidades, clima favorável
(temperatura e insolação), operação simples e necessidade de pouco ou
nenhum equipamento. Há necessidade de que elas tenham baixa
condutividade hidráulica ou que sejam impermeabilizadas, pois pode ocorrer a
1
infiltração no solo de contaminantes, como de metais pesados, organoclorados,
nutrientes (nitrato e fosfato) descendo para águas subterrâneas, tornando as
impróprias para o consumo humano. Em lagos e represas a presença de
nutrientes favorece o crescimento de algas no processo denominado
eutrofização da água. Nesses sistemas de tratamento de águas residuárias a
matéria orgânica em suspensão (DBO particulada) tende a sedimentar,
constituindo o lodo de fundo chamado de zona anaeróbia. Esse lodo sofre o
processo de decomposição por microorganismos anaeróbios e é convertido,
lentamente, em gás carbônico, água, metano. (VON SPERLING, 1996, a, b).
A NBR 13028/93 (ABNT, 1993) indica os procedimentos para
elaboração e apresentação de projetos de disposição de rejeitos, exigindo
estudos prévios de hidrologia e geologia-geotécnica, para propor um projeto
que cause o mínimo impacto ambiental e os menores riscos às populações que
vivem a jusante.
As características físico-químicas do efluente, tais como turbidez,
salinidade e biomassa, influenciam diretamente na condutividade hidráulica,
quando o efluente é armazenado em um sistema de contenção revestido com
solo compactado ou argila.
Segundo RAGUSA, ZOYSA e RENGASAMY (1994), o
desenvolvimento de algas e bactérias influencia a condutividade hidráulica do
solo, fazendo-a diminuir em função do tempo. Na Figura 1.6, observa-se a
condutividade hidráulica de um solo compactado, utilizando água deionizada e
efluente de uma estação de tratamento de esgoto (ETE), incubada por uma
semana. No início a condutividade hidráulica é maior para a coluna incubada, o
que diminui após 14 dias, enquanto que a outra coluna apresenta um leve
aumento nesse período.
Os microorganismos presentes nas águas residuárias, nos sistemas de
tratamentos, produzem polímeros (polissacarídeos) extracelulares. que
freqüentemente formam na matriz do solo um entrelaçado de massa de fibras,
formando um biofilme com silte, argila e substâncias orgânicas. A acumulação
de biofilme nos espaços intersticiais do solo reduz o movimento da água
através dos poros do solo e reduz a condutividade hidráulica (RAGUSA;
ZOYSA; RENGASAMY, 1994).
1
Durante o processo de estabilização, os organismos fototróficos como
algas, que usam luz e moléculas inorgânicas para fixar CO2 atmosférico e
produzem açúcares e polissacarídeos (Figura 1.7). E os compostos orgânicos
produzidos durante a fotossíntese podem ser usados pelos microorganismos
heterotróficos como as bactérias para outros metabolismos. Durante o
metabolismo das bactérias também podem ser produzidos polissacarídeos. Em
sistemas de fossas sépticas e em sistemas de recarga de aqüíferos já foram
observados problemas de redução na infiltração de líquidos. O entupimento de
poros também é observado em sistemas de irrigação com águas residuárias
(ANCID 2001a).
No trabalho de OLIVEIRA et al. (2000), um estudo realizado em solo
Podzólico Vermelho-Amarelo, em que o efluente de suinocultura com altos
teores de sólidos totais de 0, 2,4, 7,0, 16,3 e 26,9 g.L-1 , apresentando uma
condutividade elétrica de 0,08, 5,57, 7,25, 8,41 e 9,89 dS.m-1, os resultados
mostraram que a lixiviação teórica de sais não ocorre quando se tem elevada
concentração de sólidos totais, pois reduz a capacidade de infiltração do solo.
Figura 1.6 - Comparação da condutividade hidráulica durante o tempo com
uma coluna inoculada (○) e outra coluna controle estéril (●)
Fonte: RAGUSA; ZOYSA; RENGASAMY, (1994).
1
t (dias)
K(10-7 m s-1)
Figura 1.7 - Produção de polissacarídeos pelos microorganismos.
Fonte: ANCID (2001a).
Segundo YONG, MOHAMED e WARKENTIN (1992), uma expressão
completa para representar a permeabilidade em solos finos considera as
características físico-químicas da matriz do solo, os parâmetros relacionados à
percolação do fluído e as interações físico-químicas ocorridas durante o fluxo.
Uma solução numérica da permeabilidade, dada por RIBEIRO,
EHRLICH e ALMEIDA (1997b), considera as concentrações inicial e final do
soluto:
00
0 )( KCCKKK f +−= (1.1)
Em que:
K = condutividade hidráulica do solo;
(L/T); K0 = condutividade hidráulica inicial;
(L/T); Kf = condutividade hidráulica final (L/T);
C = concentração no fluído final;
1
uz
Algas FotossínteseAçúcares e polissacarídeos
Usado pelas algasExcretado pelas algas
Metabolismo das bactérias e/ ou produção de polissacarídeos
Luz
(M/L3) e C0 = a concentração no fluído inicial (M/L3).
Assumindo que a permeabilidade é proporcional ao raio hidráulico e
com base nos conceitos de dupla camada elétrica, RIBEIRO, EHRLICH e
ALMEIDA (1997a) encontraram uma expressão para a quantificação do
coeficiente intrínseco de permeabilidade:
TDCQK.. 2
1υα (1.2)
Em que:
C = concentração da solução;
(M/L3); υ = valência;
D = constante dielétrica;
Q1 = é uma constante em função da interação físico química entre
soluto e solo e T é a temperatura.
Os autores acima citados observaram a variação na condutividade
hidráulica para várias concentrações de cloreto de sódio (0, 0,5, 1, 3 e 5N); à
medida que a concentração aumenta, há um aumento da condutividade
hidráulica. Outro resultado obtido foi o de que a condutividade hidráulica
diminui em magnitude durante o tempo de percolação do soluto.
1.2.4 Infiltração de Fosfato
O fósforo é encontrado no solo na forma de ortofosfato: H2PO4-, HPO4
2-,
PO43- (essas formas encontram-se em equilíbrio e dependem do pH), ou como
polifosfato, que são moléculas mais complexas com dois ou mais átomos de
fósforo, ou, ainda, na forma orgânica.
Em localidades nas quais a agropecuária é intensiva, a contaminação
das águas superficiais e subterrâneas por nutrientes, principalmente o nitrato
(N-NO3) e o fosfato (P-H2PO4-), é bastante comum. Sendo que a percolação de
contaminantes pode ser retardada em função do tipo de solo e da intensidade
das chuvas.
1
Um estudo de campo na Flórida, EUA, com criação de gado (tanto de
gado de corte como vacas leiteiras), mostrou que a contaminação do solo com
fosfato, ocorre devido à aplicação de esterco como fertilizante em excesso, no
decorrer dos anos, fato agravado por ser uma localidade com solos arenosos
(GRAETZ; NAIR, 1995)
Estudo de BASSO et al. (2005), em Santa Maria, RS, realizado com
aplicação de doses de 0, 20, 40 e 80 m3 há-1 de dejeto líquido de suínos,
aplicado em lisímetros, utilizando Argissolo Vermelho distrófico arênico,
mostrou que o nitrato tem uma infiltração acima de 10 mg/L, nos primeiros dias
antes da cultura se instalar, enquanto que o fosfato presente na água
residuária, durante os dois anos do estudo, mostrou perdas abaixo de 1 mg/L,
na água coletada em lisímetros após as chuvas.
COELHO et al. (2000), estudando o movimento do amônio em
diferentes tamanhos de agregados de um Latossolo Vermelho distrófico,
considerando os modelos de dispersão e difusão, concluíram que há uma
predominância no transporte por difusão, pois na maioria dos tratamentos
houve sobreposição das curvas obtidas por meio de modelos teóricos.
ZHAO, LI e NORLAND (2000) constataram em seus estudos que o
nitrato (N-NO3-) infiltrava até atingir um percentual constante com a adição de
duas vezes o volume de poros e que o fosfato atingia um percentual constante
após a adição de 4 volumes de poros, indicando que o nitrato tem uma
tendência maior à percolação.
O movimento do nitrato é maior que do fosfato no solo, pois o fosfato
pode ser adsorvido com maior facilidade pelos colóides do solo, e pode formar
complexos com o ferro, matéria orgânica e com o alumínio, reduzindo a
disponibilidade desses íons no solo. A aplicação de água residual, proveniente
da suinocultura, aumenta o teor de matéria orgânica no solo e altera as
características químicas do Latossolo Vermelho distroférrico típico (ANAMI,
2003).
Segundo ARAÚJO (2004), a lixiviação de nitrato e amônia é uma
realidade, mesmo em solos com altos teores de ferro e gibbsita. O autor
demonstrou a lixiviação aplicando doses de uréia com e sem a adição de
calcário, em colunas de 20 cm de altura de solo indeformado.
1
1.3 MATERIAL E MÉTODOS
O presente trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Geotecnia e as
análises químicas realizadas no Laboratório de Saneamento, ambos da
Universidade Estadual do Oeste do Paraná - UNIOESTE - Campus de
Cascavel – PR.
1.3.1 Preparo do Solo
O solo utilizado no experimento é proveniente do Núcleo Experimental
de Engenharia Agrícola (NEEA), localizado na rodovia BR 467, km 101,
Cascavel – PR, com localização geográfica 24o54’0,148” latitude sul e
53o31’57,312” longitude oeste de Greenwich e altitude de 750 m. Classificado
como Latossolo Vermelho distroférrico típico.
A amostra de solo foi coletada a uma profundidade de 0,10 a 0,50 m,
retirando-se as raízes das plantas. O material foi preparado para se obter terra
fina seca ao ar (TFSA) e posterior caracterização física, conforme a
NBR-6508/88 (ABNT, 1988) e a NBR-7181/82 (ABNT, 1982). As características
físicas do solo utilizado no experimento estão apresentadas na Tabela 1.2.
Tabela 1.2 - Características físicas do solo.
PARÂMETRO UNIDADE RESULTADO
Argila
Silte
Areia
Densidade real do solo
g/kg
g/kg
g/kg
kN m-3
600
220
80
30,43
1
De acordo com a NBR 7182/86 (ABNT, 1986), são três os tipos de
ensaio, variando-se a energia de compactação: Proctor normal, modificado e
intermediário (suas respectivas energias de compactação são: 583,5, 1265,1 e
2692,0 kN.m.m-3). A coluna de solo foi preparada utilizando a energia de
compactação 583,5 kNm.m-3.
Na Figura 1.8, está representado o molde pequeno, a respectiva
alonga e o pilão de compactação leve, para a compactação executada
manualmente. O ensaio de Proctor normal consiste em compactar uma
amostra de solo no molde cilíndrico de 1 L em 3 camadas. Cada camada é
compactada com 26 golpes com um pilão de peso normalizado, 2,5 kg, que cai
de uma altura de 0,305 m. A energia correspondente a cada modalidade de
ensaio pode ser calculada utilizando a expressão seguinte:.
c
q
VNnPh
E = (1.3)
Em que:
E : é a energia de compactação (kN.m.m-3);
P : é o peso do pilão (N);
hq : é a altura de queda (m);
N : é o nº de golpes por camada;
n : é o nº de camadas;
Vc : é o volume do molde (m3).
1
Figura 1.8 - Cilindro e o soquete de Proctor.
Cada ensaio consiste de uma amostra de solo compactada pelo ensaio
normal de compactação de Proctor. Devido à condutividade hidráulica em solos
argilosos e compactados ser muito pequena, da ordem de 10-8 m/s, foi utilizado
na montagem das colunas somente 1/3 do solo que foi compactado pelo
método de Proctor normal, pois, considerando P, h e N constantes e
utilizando-se 1/3 do volume de solo compactado no cilindro de Proctor
(Vexperimento = 1/3 Vc) e 1/3 do número (nexperimento = 1/3n) de camadas, obtém-se:
c
q
erimento
erimentoqerimento V
nNPhVNnPh
E)3/1()3/1(
exp
expexp == ,
simplificando, resulta na mesma energia da equação (1.3):
c
qerimental V
N nPhEE ==exp ,
e, portanto, resultando na mesma energia de compactação do ensaio
padronizado. Por essa razão, optou-se por compactar apenas uma camada de
solo em um cilindro de PVC de diâmetro 100 mm, que corresponde ao diâmetro
do cilindro de Proctor, para a montagem do experimento.
1.3.2 Origem e Caracterização do Efluente de Suínos
O efluente de suínos é proveniente de uma granja de suínos da
localidade de Medianeira - PR. Foi retirado na saída de uma lagoa que faz
parte de um sistema de armazenamento provisório para posterior aplicação na
agricultura. Essa saída é a da fase mais líquida da água residuária que é
utilizada para aplicação no pasto, com as características físico-químicas
indicadas na Tabela 1.3, e determinadas segundo APHA (1998).
2
Tabela 1.3 - Parâmetros físico-químicos das águas residuárias
PARÂMETRO MÉTODO (UNIDADE) EFLUENTE DE SUÍNO
pH Potenciométrico 7,57
CE Condutivímetro (mS/cm) 7,88
AlcalinidadeParcial
Total
7620
8280
NO3- Adicionado (mg/L) 10
Amônia Kjeldahl (mg/L) 816,66
PTOTAL Espectrofotométrico (mg/L) 25,51
ST mg/L 3,06
O fosfato foi determinado no efluente e também monitorado no líquido
percolado em cada coluna. Foi determinado segundo o método descrito por
TEDESCO et al. (1995) e é apresentado no ANEXO A.
1.3.3 Montagem das Colunas
Sobre o cilindro de PVC foi adaptado um outro tubo de PVC para
armazenar uma altura de 1,12 m de efluente líquido previamente filtrado, com o
gradiente de 38,3, maior do que o gradiente utilizado por RAGUSA, ZOYSA e
RENGASAMY (1994). O gradiente hidráulico é determinado segundo a
equação (1.4)
zHH
∆∆=∇ (1.4)
A montagem de uma coluna está representada na Figura 1.9. Ela foi
montada em uma estante de madeira e, embaixo, foi colocada uma proveta
graduada para coletar amostras de 25 mL do material percolado.
2
Figura 1.9 - Esquema da coluna de solo.
O experimento foi montado em três etapas, cada etapa constituindo-se
da aplicação de três efluentes sobre o solo compactado em três teores de
umidade com 3 repetições, como indicado no esquema da Figura 1.10.
2
d = 0,10 m
z = 0,03 m de solo
h = 1,12 m de líquido
H = h + z = 1,15 m
ProvetaV = 25 mL
Frasco de Mariotte
Carga constante do líquido
Figura 1.10 - Esquema do desenvolvimento do experimento.
NOTAS: ws: teor de umidade no ramo seco; wo: teor ótimo de umidade; wu: teor de umidade no ramo úmido.
Foram infiltrados 8 volumes de poros, e para infiltrações muito lentas
as colunas foram mantidas por 15 dias. Segundo ZHAO, LI e NORLAND (2000)
e ANAMI (2003) são necessários 4 volumes de poros para estabilização do íon
fosfato no solo natural.
1.3.4 Determinação da Condutividade Hidráulica
A água no estado líquido move-se sempre que houver diferença de
potencial hidráulico (H) nos diferentes pontos do sistema. Esse movimento se
dá no sentido do decréscimo do potencial (H), isto é, a água se move de pontos
2
w
ws
w
ws
w
ws
w
wo
w
wo
w
wo
w
wu
w
wu
w
wu
Primeira Etapa(E1)
w
ws
w
ws
w
ws
w
wo
w
wo
w
wo
w
wu
w
wu
w
wu
Repetição 1
w
ws
w
ws
w
wo
w
wo
w
wo
w
wu
w
wu
w
wu
Segunda Etapa(E2)
Terceira Etapa(E3)
Repetição 1 Repetição 2 Repetição 3
Repetição 2 Repetição 3
Repetição 1 Repetição 2 Repetição 3
w
wo
de maior potencial para pontos de menor potencial. O primeiro a estabelecer
uma equação que possibilitasse a quantificação do movimento da água em
materiais porosos saturados foi Darcy. A equação de Darcy é:
K gradHHKq −=∇= (1.5)
Em que:
gradH = →→→
∂∂+
∂∂+
∂∂=∇ k
zHj
yHi
xHH = gradiente de potencial hidráulico;
q = densidade de fluxo da água (m3/m2.s);
K = condutividade hidráulica do solo (m/s).
O potencial hidráulico H é definido como a soma das pressões
envolvidas para que haja o movimento da água no solo:
gmPH Ψ+Ψ+Ψ==Ψ (1.6)
em que: pΨ são as pressões positivas e mΨ são as pressões negativas, as
quais podem ser agrupadas em uma única componente h = mp Ψ+Ψ . A
componente gravitacional gΨ pode ser expressa em termos de altura e, se
considerada a superfície do solo como referência, ela coincide com a
profundidade z. Logo, o potencial hidráulico pode ser encontrado pela equação:
H = h + z (1.7)
Então, para um permeâmetro de carga constante como o utilizado no
experimento, indicado na Figura 1.9 (item anterior), em que o gradiente do
potencial hidráulico na direção z é: gradH = zH
zH
zH =∆=
∂∂ e a carga hidráulica do solo
compactado é: tA
Vq.
= , V é o volume percolado (mL); z é a altura de solo na
base da coluna; A é a área e t é o tempo (h ou s). Logo, a equação (1.5) para a
condutividade hidráulica, K (cm/h), resulta na seguinte equação:
2
K = tHA
zV...
. (1.8)
1.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Figura 1.11 é apresentada a curva de compactação do Latossolo
Vermelho distroférrico típico e verifica-se o teor ótimo de umidade de 32,5% e a
densidade máxima de 13, 61 kN m-3.
De acordo com a curva de compactação da Figura 1.11, escolheram-se
três teores de umidade para compactação do solo nas colunas: para o ramo
seco 28 + 1%, um próximo ao ponto ótimo 32 + 2% e outro ponto no ramo
úmido 36 + 2%, obtendo-se as características apresentadas na Tabela 1.4. O
coeficiente de variação (CV%) foi menor do que 10%, isso indica que esses
parâmetros de uma forma geral são homogêneos e confiáveis.
Optou-se por utilizar diferentes teores de umidade de compactação,
pois eles conferem estruturas diferentes à matriz do solo. Embora a densidade
seca do solo varie muito pouco, o número de interagregados e intra-agregados
varia e com ele a continuidade dos poros, causando a quase imobilidade da
água, conforme o trabalho de ROMERO et aI. (1999).
2
Figura 1.11 - Curva de compactação de Proctor normal para o
Latossolo Vermelho distroférrico típico, utilizado no
experimento.
Tabela 1.4 - Características físicas do solo compactado nas colunas
PARÂMETRO w (%) MÉDIA MÍNIMO MÁXIMO DÊS. PADRÃO CV%
colunaSγ
(kN m-3)
28
32
36
12,97
13,59
13,69
12,05
12,92
13,10
13,37
13,95
14,45
0,44
0,35
0,41
3,54
2,57
3,01
VP
(mL)
28
32
36
100,39
102,11
102,26
94,25
93,48
95,69
107,24
106,04
104,58
6,96
5,20
2,74
6,94
5,09
2,68
Porosidade
(kg3 kg-3)
28
32
36
0,57
0,55
0,55
0,56
0,54
0,52
0,60
0,57
0,57
0,01
0,01
0,01
2,63
2,07
2,46
Quando compactado, o solo apresentou uma condutividade hidráulica
(K) da ordem de 10-8 m/s (determinado no experimento K igual a 1,37 x
10-8 m/s) que, segundo o USBR (1998), é um bom material para a
2
28 30 32 34 36 38Teor de umidade [%]
Den
sida
de d
o so
lo [k
N.m
]-3
13,80
13,60
13,40
13,20
13,00
12,80
impermeabilização de sistemas de contenção e canais de irrigação, pois a
perda de líquido é pequena.
A Figura 1.12 apresenta os resultados de permeabilidade com
aplicação da água residuária e mostra sensíveis reduções, culminando com
indicativos de uma colmatação em poucos dias, visto que o experimento foi
mantido somente por quinze dias.
Quando o solo é compactado no teor de umidade do ramo seco,
próximo de 28%, e aplicado efluente diluído, tratamento E2 28, ou água
destilada: E3 28%, e também para o tratamento E3 32% as perdas de líquido
são maiores que a condutividade hidráulica recomendada. Para que não haja
perdas excessivas de líquido em um sistema de contenção de líquidos a
impermeabilização deve seguir rigorosamente os critérios geotécnicos, para
não comprometer as fontes de águas. Quando utilizado para armazenagem de
dejetos de suínos, apesar desse resíduo ter um alto poder de contaminação,
devido à redução das perdas de líquidos, culminando com uma forte tendência
à colmatação, em função do tempo, e um tempo muito curto, os solos argilosos
compactados aparecem de forma favorável para essa finalidade, o que para as
pequenas propriedades (que são típicas na região) seria mais recomendável.
2
0 2 4 6 8 10 12Volume de Poros
Con
dutiv
idad
e H
idrá
ulic
a, K
(m/s
)
Tratamentos
E1 32%
E1 36%
E1 28%
E2 28%
E2 32%
E2 36%
E3 36%
E3 28%
E3 32%
1,0x10-6
1,0x10-7
1,0x10-8
1,0x10-9
1,0x10-10
Figura 1.12 - Condutividade hidráulica.
Na Figura 1.13 foi realizado o ajuste de curva, utilizando-se o software
Grapher 4 for Windows, para os tratamentos que tiveram redução da
condutividade hidráulica em função do tempo, considerando o tratamento E3
36% como testemunha, pois compactado no teor de umidade 36%, do ramo
úmido, e aplicando-se água destilada tem-se a situação mais próxima à prática
de laboratório de permeabilidade, cujo maior objetivo é comparar a
permeabilidade do solo com água e as curvas de permeabilidade com efluente.
Figura 1.13 - Regressão da condutividade hidráulica do solo com adição dos
efluentes: E1, efluente de suíno bruto; E2, efluente de suíno
diluído.
2
0 1 2 3 4 5 6 7Volume de poros
Con
dutiv
idad
e hi
dráu
lica
(m/s
)
E1 36%
E1 32%
E1 28%
E2 36%
E2 32%
E3 36%
2,5x10
2,0x10 -8
1,5x10
1,0x10 -8
0,5x10 -8
-8
-8
O tratamento E2 32% teve a redução mais significativa da
condutividade hidráulica até os 4 volumes de poros, com uma posterior
estabilização. Da mesma forma, o tratamento E1 28% teve uma redução maior
até 3 volumes de poros, com posterior estabilização. Nesses tratamentos o
solo apresenta uma estrutura com maior número de interagregados, de acordo
com o trabalho de ROMERO et al. (2002), pois foram compactados em teores
de umidades menores que 36%. Apresentando melhor ajuste para os
tratamentos E2 32% e E1 28%, respectivamente, igual a:
K = 1,27723 x 10-8 x (Vp)-1,3304 R2: 0,92 (1.9)
K = 7,59073 x 10-9 X (Vp)-1,12292 R2: 0,95 (1.10)
Em que:
K é a condutividade hidráulica, eixo Y;
VP é o Volume de poros, eixo x,
calculado da seguinte maneira:
solodecmnosvaziosdeVolumePercoladoVolumeVP
3= (1.11)
No início, os tratamentos apresentaram uma condutividade hidráulica
superior à ordem 10-8 m/s, sendo reduzido ao final de quinze dias para níveis
aceitáveis, de acordo com os ajustes de curvas, mantendo a redução.
Na equação (1.9) e (1.10) pode-se observar que teoricamente K → 0
quando VP → ∞.
Os tratamentos E2 36%, E1 32% e E1 36% tiveram uma condutividade
inicial menor que os demais tratamentos, com uma redução ainda maior na
percolação do primeiro VP. Como se pode ver em 1.12, 1.13 e 1.14, o ajuste de
curvas para os tratamentos E2 36%, E1 32% e E1 36%, respectivamente, tem-
se:
K = 8,29596 X 10-10 x (Vp)-0,925391R2: 0,91 (1.12)
2
K = 1,4531 X 10-9 x (Vp)-0,641695 R2: 0,94 (1.13)
K = 1,05429 x 10-9 x (Vp)-0,899797 R2: 0,94 (1.14)
Da mesma forma que as equações (1.9) e (1.10) têm, teoricamente,
K → 0 quando VP → ∞, nas equações (1.12), (1.13) e (1.14), teoricamente,
K → 0, quando VP → ∞, porém logo no início da percolação a condutividade
hidráulica foi menor que 1,37x10-8 m/s. No gráfico das Figuras 1.12 e 1.13,
pode-se observar que, após uma redução inicial brusca na condutividade
hidráulica, ela se reduz mais lentamente, porém mesmo que o ajuste de curvas
não mostre quando se obterá uma colmatação efetiva, pode-se supor que, em
condições geotécnicas favoráveis (solo argiloso, lençol freático profundo), a
percolação de solutos presentes no efluente vai ser muito lenta.
Na Tabela 1.5 estão os resultados das análises da água aplicada aos
tratamentos. O pH é maior que 7 para as águas E1 e E2, e menor do que 5
para a água E3. Isso porque na água destilada foi adicionado fosfato
monobásico de potássio que, ao entrar em equilíbrio com o meio, alterou as
concentrações hidrogêniônicas. O tratamento E1 apresentou uma alcalinidade
bastante alta, e que não foi determinada para o tratamento E2, esperando-se
que ela seja 10 vezes menor. A condutividade elétrica é muito elevada para a
água E 1, indicando que existem muitos sais dissolvidos e a E2 tem uma
condutividade elétrica menor, pois foi diluída; enquanto que na água E3 esse
parâmetro se deve aos sais adicionados.
A amônia somente foi determinada para o E1 e contribui para elevação
do pH e da alcalinidade, o nitrato é encontrado em concentrações baixas e, por
esse motivo, as quantidades apresentadas na tabela foram as adicionadas.
Quanto ao fósforo, além das quantidades presentes nos efluentes, ele foi
adicionado, então as quantidades apresentadas na tabela referem-se à soma
de ambas.
A presença de sólidos totais foi determinada, visto que é um parâmetro
importante e que influencia na condutividade hidráulica, pois pode causar
entupimento dos poros (RAGUSA et al., 1994). Os resultados mostram
quantidades distintas causadas pelo fator diluição e zero para o tratamento E3.
3
Logo, os efeitos de redução da permeabilidade estão relacionados com esse
parâmetro.
Tabela 1.5 - Parâmetros físico-químicos das águas residuárias
PARÂMETRO UNIDADE E1 E2 E3pH 7,57 8,20 4,88CE dS m-1 7,88 1,06 0,36Alcalinidade (parcial) mg CaC03 L-1 7620 - 0
Alcalinidade (total) mg CaC03 L-1 8280 - 0NO3- mg L-1 10 10 5Amônia mg L-1 816,66 - °PTOTAL mg L-1 25,51 18,13 10,00ST g L-1 3,06 0,32 0
NOTAS: (-) não determinados;E1 = águas residuárias da suinocultura bruta + 10 mgl L de nitrato; E2 = águas residuárias da suinocultura diluída (1:9) + 10 mgl L de nitrato + 10 mgl L
de fosfato; E3 = água destilada + 5 mgl L de nitrato+ 10 mgl L de fosfato.
A Figura 1.14 mostra os resultados da condutividade elétrica (CE) no
percolado. Trabalhou-se com a média das colunas nas quais foi aplicado o
mesmo efluente, obtendo-se indicativos do comportamento dos íons em
solução ao passarem pelo solo.
A CE inicial foi a mesma para os três efluentes e próxima a do solo:
0,04 dS.m-1, tendo seu valor aumentado em função da quantidade do volume
de poros percolada, chegando a, aproximadamente, 50% do valor inicial para o
percolado, quando aplicados os efluentes E1 e E2, e quase não variando para
o percolado do E3. Esses resultados da CE indicam que parte dos íons
presentes na solução, e que causavam alta CE, ficaram retidos no solo.
Diferentemente do trabalho de ANAMI (2003), no qual a CE aproximou-se da
CE inicial, após da percolação de 2 volumes de poros. Os efeitos dos íons no
solo serão discutidos no Capítulo 2.
3
Figura 1.14 - Condutividade elétrica (CE)
O pH no solo, antes da aplicação das águas residuárias, é de 4,20. A
Figura 1.5 mostra a variação do pH quando aplicado E1. O pH no percolado,
inicialmente, foi próximo de 5,50, seguido de reduções de até 3,70 e um
aumento gradativo, estabilizando em 8,00, depois de percolar 4,2 volumes de
poros.
Os solos que apresentam grande capacidade de troca, também
apresentam uma grande capacidade de tamponamento, por isso, no quando
percolado uma pequena quantidade de líquido, o pH sofreu poucas alterações.
Devido à alta alcalinidade do tratamento E 1 foi ultrapassada a capacidade de
tamponamento do solo utilizado no experimento, obtendo-se o pH final no
percolado igual ao de E1. Segundo o trabalho de GOMES (2002), não são
observadas grandes variações no pH, quando são percolados menos de
2,5 VP.
3
0 2 4 6 8Volume de poros
CE d
S m
E1
E2
E3
4,00
3,00
2,00
1,00
0
-1
Figura 1.15 - pH no percolado.
Por outro lado, quando aplicado E2 o pH do percolado não houve um
aumento tão significativo, mantendo-se abaixo de pH 7. Como a água
residuária apresentava-se diluída, provavelmente, os íons retidos no solo
afetaram a dinâmica das cargas negativas.
Para o percolado do tratamento E3, o pH não teve muita variação,
mantendo-se entre o pH do solo e o pH do efluente (4,20 - 4,50). Os efeitos das
cargas no solo serão discutidos no Capítulo 2.
O íon fosfato é fortemente adsorvido no solo, reagindo com argilas,
óxidos de ferro e alumínio, por isso espera-se que ele fique retido no solo. Isso
é confirmado na Figura 1.16. Observa-se que não houve percolação do íon
fosfato no tratamento E1, embora a concentração desse íon seja maior que nos
demais tratamentos. Esse efeito pode estar associado ao fato de que houve
uma redução na condutividade hidráulica, limitando a passagem de líquido e
espécies presentes nele. Outra causa possível seria a precipitação dos íons
3
0 2 4 6 8Volume de poros
3
4
5
6
7
8
9pH
E1
E2
E3
fosfato com outros íons presentes na solução e mesmo uma adsorção nos
colóides orgânicos do efluente, além de ficar retido nas argilas e óxidos
presentes na matriz do solo. Esse efeito será discutido no capítulo 2.
Quando se aplicou E2, ocorreram problemas nas análises do
percolado, após a percolação de 4 volumes de poros, podendo se observar
que, antes disso, ele apresentou um indicativo de que teria um aumento depois
de percolado 3 VP, mas não se pode discutir sua magnitude.
Figura 1.16 Percolação do íon fosfato nas colunas.
3
0 2 4 6 8 10Volume de Poros
E1 28%
E1 32%
E1 36%
E2 28%
E2 32%
E2 36%
E3 28%
E3 32%
E3 36%
C/C
O
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
Observa-se uma pequena infiltração do íon fosfato quando aplicado E3,
menor que 10 %. Porém a infiltração obtida é menor que as obtidas em outros
trabalhos utilizando solos sem compactação, como os de ZHAO et aI. (2000) e
ANAMI (2003).
Nos tratamentos que tiveram uma menor permeabilidade, houve uma
menor percolação de fósforo, mesmo apresentando uma concentração inicial
de fosfato maior. A adsorção deste íon foi analisada no solo e será discutida no
Capítulo 2.
Considerando um sistema de tratamento de esgoto por lagoas de
estabilização, a quantidade de sólidos totais presentes no efluente vão ajudar
na diminuição da condutividade hidráulica e na redução da infiltração de
fosfato. Entretanto, quanto mais estabilizada a água residuária (menos sólidos),
maior o risco de contaminação por fósforo.
O grau de compactação (GC) é definido como a razão entre a
densidade de campo pela densidade máxima de laboratório. Calculou-se o
grau de compactação utilizando-se a densidade média obtida nas colunas
(Tabela 1.4, pg. 26), em cada teor de umidade. A densidade máxima obtida em
laboratório foi de 13,61 kN.m-3.
100max
×=γγ campoGC (1.15)
Em que:
CG – grau de compactação, %;
camposγ - densidade seca de campo (coluna), kN m-3;
máxsγ - densidade seca máxima de laboratório, kN m-3.
Logo, obtêm-se os seguintes graus de compactação, apresentados na
Tabela 1.6, comparando-se com a eficiência na permeabilidade e considerando
como padrão E3 36%, pois este foi o tratamento que apresentou a menor
condutividade hidráulica, quando aplicado água, e também foi semelhante ao
procedimento realizado em laboratório ou em campo. De acordo com LAMBE
3
(1958), a condutividade hidráulica depende do teor de umidade de
compactação, apresentando uma condutividade hidráulica menor no teor ótimo
de compactação e no teor de umidade do ramo úmido (Figura 1.1).
O grau de compactação nas colunas não teve uma grande influência
para a aplicação do tratamento E1, sendo eficiente. Quando aplicado E2 o grau
de compactação de 95,30% no ramo seco é insatisfatório. Aplicado E3
somente o tratamento considerado como padrão foi satisfatório. Desse modo,
verifica-se que o grau de compactação não é o único fator a influenciar a
condutividade hidráulica, ela depende do teor de umidade de compactação
(LAMBE, 1958) e da aplicação da água residuária (HAMADA; CALÇAS;
GIACHETI, 2004).
Tabela 1.6 - Graus de compactação
GC (%) TRATAMENTOS EFICIÊNCIA
Média
Mínimo
Máximo
Desvio padrão
CV%
95,30
88,57
98,23
3,38
3,54
E1 28%
E2 28%
E3 28%
S
N
N
Média
Mínimo
Máximo
Desvio padrão
CV%
99,84
94,94
102,69
2,56
2,58
E1 32%
E2 32%
E3 32%
S
S
N
Média
Mínimo
Máximo
Desvio padrão
CV%
100,58
96,25
106,15
3,03
3,01
E1 36%
E2 36%
E3 36%
S
S
S
NOTAS: S eficiente; N não eficiente.
3
1.5 SUGESTÕES PARA FUTURAS INVESTIGAÇÕES
Considerando os dados obtidos nesta pesquisa, pode-se sugerir:
• Compactar o solo em um único teor de umidade (32% ou 36%) e
utilizar como carga hidráulica água residuária de diferentes lagoas
de um único sistema de tratamento de uma agroindústria, pois, em
um sistema de lagoas de estabilização, as concentrações de sólidos
totais e nutrientes variam de acordo com a degradação do efluente.
• Desenvolver um trabalho em campo para verificar as plumas de
contaminação, em sistemas de contenção de águas residuárias, que
já estejam em operação durante alguns anos.
• Avaliar a infiltração do nitrogênio em solo compactado, que na forma
de nitrato é muito solúvel em água não adsorve no solo.
3
1.6 CONCLUSÃO
Considerando os resultados da pesquisa realizada, pode concluir que:
• O teor de umidade é muito importante para a compactação, por isso
é recomendável que os revestimentos com solos compactados
sigam as normas geotécnicas.
• A condutividade hidráulica é dependente do teor de umidade de
compactação, do grau de compactação e da aplicação da água
residuária.
• Os resultados experimentais mostram-se favoráveis à percolação de
fosfato, porém o íon mais solúvel em água, nitrato, não pode ser
avaliado por problemas técnicos. Com isso, propõe-se que seja feita
uma avaliação para este íon, pois em teste anteriores verificou-se a
sua percolação.
3
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4
CAPÍTULO 2
COMPORTAMENTO COLOIDAL DO SOLO
RESUMO
Esse trabalho teve por objetivo estudar as alterações provocadas na matriz do solo, quando aplicado efluente de suíno. Depois de ter percolado o efluente pelo solo as colunas foram desmontadas, retirando-se a carga hidráulica e dividindo o solo em três incrementos: 0 a –1 cm, -1 a –2 cm e –2 a –3 cm. O incremento superior foi chamado de S e o incremento inferior de B, descartando-se o incremento do meio. Foi realizada a análise do teor de matéria orgânica (MO), fósforo total e fósforo assimilável. Determinou-se também o pH, o ponto de carga zero (PCZ) e o potencial de superfície. Os resultados mostram que a variação da MO não foi significativa em cada tratamento. O fósforo ficou retido no incremento superior e o seu aumento foi atribuído ao fósforo fracamente adsorvido no solo. A dependência dos colóides do solo com relação ao pH, não teve alteração no PCZ, indicando que a estrutura do colóide não foi modificada, porém foi observado um aumento negativo no potencial de superfície, quando aplicado efluente de suíno. Esse aumento foi atribuído à alcalinidade, à alta concentração de amônia e, também, à presença do íon fosfato.
Palavras-chave: Adsorção no solo, fosfato, colóide.
4
ABSTRACT
The work had for objective to study the alterations caused in the soil matrix, when applied swine effluent. After having percolated the effluent in the soil the columns were dismounted, removing the hydraulic load and dividing the soil in three increments: 0 to -1 cm, -1 at -2 cm and -2 to -3 cm. Discarded the increment of the middle. It was conduced the analysis organic matter contents (MO), total and uptake phosphorous, it was also determined the pH, the zero point charge (PCZ) and the potential surface. The results showed that the MO variation was not significant in the treatments, the phosphorous was retained in the superior increment. In the respect the soil colloid dependence with relationship to the pH, there was not alteration in PCZ, indicating that the colloid structure was not modified, even so a negative increase is observed in the potential surface when applied effluent swine, attributing this increase the alkalinity, the high ammonium concentration and also for the presence of the ion phosphate.
Keywords: phosphate, soil adsorption, colloid.
4
2.1 INTRODUÇÃO
Um solo argiloso é constituído por muitas moléculas que, ao se unirem,
formam partículas maiores, até formarem os agregados. Em meio aquoso,
essas partículas maiores permanecem unidas ou, pelo menos, próximas umas
da outras, formando os colóides. Os colóides do solo têm uma superfície
específica elevada. Na água estão rodeados por moléculas de água e íons de
diferentes cargas (formando a dupla camada), que podem ser alteradas
quando é adicionada uma carga diferente. Por isso, espera-se que, quando o
efluente passar pela camada de solo na base da coluna, haja interação com a
dupla camada das partículas coloidais do solo. Essa variação pode ser
diferente na parte superior (0 a -1 cm) que está diretamente em contato com o
líquido, em relação à da parte mais inferior (-2 a -3 cm); na qual pode ocorrer a
adsorção de partículas e também alteração na distribuição das cargas
superficiais.
Os objetivos definidos para este capítulo são:
•Avaliar a distribuição das cargas no solo e a influência da água
residuária de suíno.
•Obter a dinâmica do fosfato no solo.
2.2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1.1 Propriedades Coloidais do Solo
O solo em condições naturais não é maciço como outros materiais
sólidos, mas uma estrutura porosa como uma esponja, na qual os poros podem
ser ocupados por água e ar. Em geral, a composição do solo depende das
46
condições de umidade, como mostra a Figura 2.1. A água que ocupa os poros
do solo nunca será pura, pois ela contém muitas substâncias minerais e
orgânicas.
A textura do solo refere-se à distribuição das partículas em termos de
tamanho. A escala de tamanho varia, desde cascalho de diâmetros da ordem
de centímetros até a partículas microscópicas, como os colóides que não
podem ser vistos a olho nu. O tamanho das partículas é de grande importância,
pois ele determina o número de partículas por unidade de volume e a superfície
específica exposta, como mostra a Tabela 2.1. O aumento da superfície
exposta com a diminuição do diâmetro da partícula é ponto-chave para as
propriedades do solo. As partículas do solo chamadas de argilas têm diâmetros
menores que 2 μm, podendo variar de 1 a 10 μm para diferentes solos minerais
que formam colóides como argilas, óxidos e hidróxidos de ferro, silicatos e silte.
A matéria orgânica no solo e as partículas orgânicas provenientes de
fertilizantes e esterco de animais têm uma grande importância física, são
partículas pequenas e com uma área superficial alta por volume, são providas
de um grande número de sítios para fazer sorção de poluentes (McGECHAN;
LEWIS, 2002).
47
Figura 2.1 - Diagrama representando as diversas fases do solo.
As menores partículas de solo podem ser encontradas como argilas 1:2
e também argilas 2:1, com predominância de cargas permanentes e com uma
alta capacidade de troca de cátions ou ânions, diferentemente das estruturas
das argilas 1:1, quase perfeitas na distribuição de cátions e ânions e que
ocorrem em minerais do grupo da Caulinita. A energia de coesão dessas
partículas é primariamente eletrostática, aumentada pela atração de Van Der
Waals e a atração entre grupos hidróxi e oxigênio da outra camada. A coesão
também pode ser melhorada com compostos orgânicos ou intercalada com
sais, tais como acetato de potássio ou outros compostos como uréia e
hidrazina. A capacidade de troca de cátions - CTC é pequena, cerca de
1 - 10 mg/100g (VAN OLPHEN, 1977).
Tabela 2.1 - Relação entre diâmetro de partículas esféricas e sua superfície
em volume unitário
DIÂMETRO (cm) NÚMERO DE PARTÍCULASEm 1cm3 De SOLO
SUPERFÍCIE ESPECÍFICA (cm2)
10,5
0,060,001
18
4.0961.000.000.000
3,146,28
50,233.141,60
48
Água
Ar
Matéria Orgânica
SólidosMinerais
Poros que podem ser ocupados por água ou ar
Segundo BRADY (1996), as cargas associadas com as partículas do
solo atraem íons simples e complexos de carga oposta. Assim, uma
determinada mistura coloidal poderá possuir cargas superficiais, quer positivas,
quer negativas, assim como de um grupo igualmente numeroso de anions e
cátions simples, tais como Ca+ e SO42- e extensivos complexos orgânicos e
inorgânicos, ambos com carga e que foram atraídos pelas cargas das
partículas. Em solos neutros para alcalinos há predominância dos cátions
adsorvidos cálcio e magnésio, juntamente com potássio e sódio, ao passo que,
em solos ácidos há proeminência de íons hidrogênio e alumínio. Os ânions
adsorvidos acham-se, via de regra, em quantidades menores do que os
cátions, porque as cargas negativas nos colóides do solo exercem
predominância geral, principalmente nos solos de regiões temperadas.
O ferro é considerado um agente cimentante, sua presença aumenta a
estabilidade do solo e, conseqüentemente, diminui a permeabilidade. Ele pode
ser encontrado no solo em quantidades apreciáveis nos minerais primários,
como nos ferromanganesianos (anfibólios e piroxênios) e na biotita; nos
acessórios, como ilmenita (FeTiO3), magnetita (Fe3O4) e pirita (Fe S2); nos
minerais secundários, como nos óxidos hidratados (limonita – Fe2O3.nH2O;
turgita – 2Fe2O3.H2O; goetita – Fe2O3.H2O). Aparece ainda em compostos
orgânicos (humatos de Fe), em sais, como fosfato e, em quantidades pequenas
na solução como íon trocável. (MELLO, 1983).
2.1.2 Migração e Acumulação de Solutos no Solo
Muitos contaminantes na forma particulada ou coloidal, quando são
depositados no solo, são adsorvidos e imobilizados, devido ao seu tamanho.
Entretanto, no caso de sais solúveis, que podem se mover livremente com o
movimento da água no solo, a restrição ao seu movimento deve-se à sorção
49
por componentes do solo. A Figura 2.2 mostra a trajetória de uma partícula
pequena na matriz do solo, contendo microporos e movendo-se em todas as
direções como um movimento Browniano (A); por outro lado os macroporos
funcionam como filtros para as partículas coloidais, enquanto elas passam por
caminhos tortuosos (B) (McGECHAN; LEWIS, 2002).
A) Fluxo na matriz do solo B) Fluxo em macroporos
em microporos
Figura 2.2 - Movimento de contaminantes e água na matriz do solo.
FONTE: McGECHAN; LEWIS (2002).
Quando as partículas dos líquidos entram nos poros do solo, podem
passar por muitos processos de imobilização. As moléculas coloidais (10-3 a 1 µ
m) podem causar o entupimento dos poros. Outras, como os fosfatos, podem
ser adsorvidas nas superfícies do solo, dependendo das forças atrativas entre
o solo e a partícula ou, também, serem precipitadas. Pode haver troca de
elementos, como uma molécula de sódio deslocar um íon H+ e pode ocorrer a
adsorção e a absorção de íons (LUCHESE; FAVERO; LENZI, 2001). A Figura
2.3 representa esses fenômenos, de uma forma macroscópica.
Um sólido finamente dividido, como as argilas, tem uma alta
capacidade de sorção favorecida por serem pequenas partículas de grande
área superficial. A extensão da sorção varia entre solutos de diferentes
reatividades e entre materiais sólidos diferentes, e também depende da
distribuição do tamanho de partículas de solo.
50
Figura 2.3 - Fenômenos que ocorrem nos poros do solo.
FONTE: McGECHAN; LEWIS (2002).
Um exemplo de uma isoterma experimental para o fósforo é dado por
HOODA et al. (1999), mostrando a influência da concentração de fósforo na
solução e a sua respectiva adsorção na matriz do solo (Figura 2.4). Quanto
mais fósforo houver na solução a ser aplicada no solo, mais o solo vai
adsorver, até a sua saturação.
51
D = DifusãoI = InterceptaçãoST = EstrangulamentoSD = SedimentaçãoF = Direção do fluxo
Figura 2.4 - Adsorção do fosfato.
Fonte: Adaptado de HOODA et al. (1999).
O fosfato, em pH entre 5 e 7, está, predominantemente, na forma de
H2PO4-, que pode ser fortemente adsorvido por argilas, óxidos, formar
precipitados com ferro, alumínio ou manganês, entre outros, incluindo-se a
possibilidade de compostos orgânicos de baixa solubilidade. Nos solos
brasileiros a interação com o ferro e o alumínio pode formar compostos
estáveis. Esse processo é chamado de fixação, pois nestes casos o fosfato fica
imobilizado no solo e não desce para as águas superficiais. A reação está
representada abaixo:
)()(422)(42)(3
)(422)(2)(42)(3
)()(
)(2
aqInsolúvelaqS
Insolúvelaqaqaq
HOPOHOHAlPOHOHAl
POHOHAlHOHPOHAl−−
+−+
+→+
+→++ (2.1)
ANAMI (2003) mostra que o fosfato ficou mais retido no incremento
superior, após os efluentes de suíno percolarem em colunas com 50 cm de
solo. O solo utilizado por ele é classificado como Latossolo Vermelho
distroférrico típico.
52
KORETSKY (2000) trata da imobilização de substâncias contaminantes
no solo, envolvendo a interface mineral-água, a qual está ligada à formação de
complexos com diferentes íons presentes no meio aquoso.
Para entender as reações de complexações que ocorrem na interface
mineral-água, é importante descrever as reações que ocorrem na superfície do
mineral. Nas superfícies dos minerais os ânions conferem cargas negativas,
que podem ser protonadas, como ocorre na situação mostrada na Figura 2.5
(a) e (b), enquanto que cátions na superfície de uma estrutura mineral indicam
um excesso de cargas positivas sendo coordenadas por hidroxilas,
demonstrado na Figura 2.5 (c) e (d). As micelas coloidais do solo apresentam
cargas permanentes, podendo ser positivas ou negativas. Porém, as micelas
dependem do pH, podendo ser positivas, negativas ou de carga zero, se a
somatória das cargas for zero. Esse ponto, em que há o equilíbrio das cargas
chama-se de Ponto de Carga Zero (PCZ). Assim no pH maior que o PCZ,
predominam as cargas negativas e no pH menor que PCZ, predominam as
positivas (LUCHESE; FAVERO; LENZI, 2001, KORETSKY, 1999).
Figura 2.5 - Quatro coordenações possíveis para um sítio do quartzo.
Fonte: Adaptado de KORETSKY (2000).
53
alumínio hidrogêniooxigênioSilício
superfície
superfície
δ+
δ-
(d)(c)
(a) (b)
A superfície do mineral é muito complexa, pois nela ocorre uma
variedade de reações químicas na interface mineral-água, como as
complexações em sítios reativos. Essas reações envolvem uma grande
quantidade de espécies na solução aquosa. Os metais podem sofrer sorção, de
três maneiras: absorção, adsorção e precipitação (Figura 2.6). Absorção é a
reação que ocorre entre espécies; Adsorção é o uso de espécies químicas na
monocamada da interface mineral-água; e precipitação ocorre quando espécies
passam a fazer parte da estrutura do mineral.
O potencial elétrico na superfície da partícula do solo (UEHARA;
GILLMAN, 1981), pode ser determinado conhecendo-se o pH do solo e o PCZ,
quando a carga é dependente do pH, pela seguinte expressão:
Ψo = -59(pH – PCZ) (2.2)
Figura 2.6 - Sorção na interface mineral-água.
Fonte: Adaptado de KORETSKY (2000).
54
Sorção
Adsorção AbsorçãoPrecipitação
cristal
cristal cristal
solução
solução solução
oxigênio ferro hidrogêniozinco
2.2 MATERIAL E MÉTODOS
Após a montagem das colunas de solo foi percolado o efluente durante
15 dias ou até 8 volumes de poros, ao desmontar as colunas. Retirou-se o
líquido pela parte superior da coluna, deixou-se secar por, aproximadamente,
24 horas ou até o solo ficar firme. Em seguida, retirou-se o cap da parte inferior
e separou-se o solo compactado, com a ajuda de uma espátula e de um
paquímetro, dividiu-se em três incrementos de profundidades: 0 a -1, -1 a -2 e
-2 a -3 cm. O incremento de -1 a -2 foi descartado. Somente a camada superior
(S) e a camada inferior (B) foram preparadas TFSA e utilizadas para análises
realizadas no Laboratório de Saneamento da UNIOESTE – Campus de
Cascavel – PR.
2.2.1 Análise Química do Solo
As características químicas do solo, antes do experimento, são
apresentadas na Tabela 2.2 e foram obtidas no Laboratório de Solos do Centro
Estadual de Educação Profissional Manoel Moreira Pena (ANEXO B).
Tabela 2.2 - Características químicas do solo
MO P pH K+ Ca2+ Mg2+ Al3+ H+ + Al3+ S Vg/dm3 mg/dm3 CaCl2 cmol/dm3 %38,9 1,33 3,81 0,07 0,25 0,27 3,6 17,6 0,49 2,21
NOTAS: S : soma de base; V: porcentagem de base.
Os parâmetros químicos das colunas de solo analisados antes e depois
da infiltração dos efluentes são: pH (água), matéria orgânica (MO), fósforo total
(extrato sulfúrico), fósforo assimilável (extrator Michelin). As metodologias para
essas determinações estão no Manual de Métodos de Análise de Solo da
EMBRAPA (EMBRAPA, 1997).
55
O ponto de carga zero, também conhecido nesse caso como pHO, em
solos de carga elétrica variável, foi determinado pelo método simplificado
sugerido por UEHARA e GILLMAN (1981). Os procedimentos estão descritos
no ANEXO C.
2.2.2 Tratamento dos Dados
O tratamento dos dados e a análise de variância (ANOVA), para
verificar a existência de interação entre a aplicação de efluente (E1, E2 e E3) x
o teor de umidade de compactação (28, 32 e 36%) x a profundidade (S, B). A
comparação de médias para o teor de matéria orgânica, fósforo total e
assimilável, foram feitas pelo teste de Tukey e para o PCZ, pH e potencial
elétrico de superfície usou-se o teste de Scott-Knott. O programa estatístico
utilizado para estas análises foi o SISVAR.
2.3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O efluente proveniente de granjas de suínos apresenta Demanda
Bioquímica de Oxigênio - DBO e Demanda Química de Oxigênio - DQO
elevadas, indicando que essa água residuária contém muito material orgânico.
Presente no efluente na forma de proteínas, gorduras, fibras, etc., estas
partículas atraem-se entre si e formam os colóides orgânicos. Quando os
colóides orgânicos são percolados em um material poroso, como o solo, eles
entopem os poros, dificultando a passagem de líquidos e, conseqüentemente,
diminuindo a percolação de sais (OLIVEIRA et al. 2000).
Avaliando o aumento da matéria orgânica no solo, observa-se na
análise de variância (Tabela 2.3), que não houve efeito na interação efluente x
teor de umidade x profundidade, ao nível de significância de 5%. Somente
houve efeito no parâmetro teor de umidade. Analisando esses fatores ao nível
56
de significância de 1%, os resultados da ANOVA mostram que não houve
variação do teor de matéria orgânica.
Segundo ROMERO, GENS e LLORET (1999), o teor de umidade de
compactação é um parâmetro que confere ao solo um diferente arranjo das
partículas, um maior número de intra-agregados, quando o teor de umidade é
menor, resultando numa maior porosidade e menor densidade do solo seco.
Obteve-se um aumento no teor de MO para os solos compactados no teor de
umidade 28%, diferente do teor de umidade 32%, porém igual ao teor de
umidade 36% (Tabela 2.4).
Porém, esperava-se obter um contraste entre os tratamentos que
tinham aplicação de efluente em relação aos tratamentos que continham água
destilada. Como não foi obtido contraste, considera-se que o efeito observado
na Tabela 2.3 da ANOVA, pode ser um somatório dos erros encontrados na
própria variabilidade do solo. Admitindo-se que não houve aumento real do teor
de MO na matriz do solo, utilizado nas colunas.
Tabela 2.3 - Resultado da análise de variância (ANOVA) para matéria
orgânica
FONTE DE VARIAÇÃO GL Fc (5%) (1%)EfluenteTeor de umidadeProfundidadeEfluente x Teor de umidadeEfluente x ProfundidadeProfundidade x Teor de umidadeEfluente x Teor de umidade x Profundidade
2214224
3,043,711,321,230,881,831,75
NSNNNNN
nnnnnnn
NOTA: S = significativo; N = não significativo, ao nível de 5%;N = não significativo, ao nível de 1% de probabilidade.
Tabela 2.4 - Variação do teor de MO em relação ao teor de umidade
Teor de umidade 28% 32% 36%MO (g/kg) 35,26 a 34,34 b 34,67 ab
NOTA: Teste de Tukey, ao nível de significância de 5%.
57
O fósforo total são os íons fosfatos que estão fortemente adsorvidos,
complexados, precipitados no solo e somados aos íons que estão fracamente
adsorvidos. Porém, o fósforo assimilável tem na agricultura o significado de
estar disponível para a planta, por isso o nome. Sendo um íon fracamente
adsorvido no solo, ele pode continuar a percolar, desde que haja fluxo de
líquido (água) e os sítios estejam saturados. Nos tratamentos que
apresentaram uma condutividade hidráulica menor que 1.10-8 m/s, e que têm
forte tendência à colmatação, não havendo perdas de líquido,
conseqüentemente, o fósforo permanecerá imóvel.
A análise de variância (ANOVA) para o fósforo total e para o fósforo
assimilável é apresentada na Tabelas 2.5 e mostra a interação entre efluente x
profundidade x teor de umidade, para ambos.
Tabela 2.5 - Resultado da análise de variância (ANOVA) para fósforo total
(PT), fósforo assimilável (PA).
FONTE DE VARIAÇÃO GL Fc (PT) Fc (PA)EfluenteTeor de umidadeProfundidadeEfluente x Teor de umidadeEfluente x ProfundidadeProfundidade x Teor de umidadeEfluente x Teor de umidade x Profundidade
2214224
0,072 N3,085 S
740,144 N14,281 N
8,321 S1,648 S
14,346 S
11,374 S0,379 N
430,631 S10,239 S
6,427 S1,493 N
11,910 SNOTAS: S = significativo;
N = não significativo, ao nível de 5% de probabilidade.
Na Tabela 2.6 pode-se verificar que todos os tratamentos tiveram mais
fósforo total no incremento superior (0 –1). O tratamento que obteve a maior
quantidade de fósforo total retido foi o tratamento E1 28%, no incremento
superior. Isto ocorre porque o solo começa a adsorver os íons que estão na
solução, de acordo com o fluxo de líquido, ou seja, do incremento superior para
o inferior. Esses resultados estão de acordo com o trabalho de ANAMI (2003).
Tabela 2.6 - Comparação de médias para o fósforo total (g/kg)
INCREMENTO w% 28% 32% 36%
58
Superior
E1 7,34C b
5,30B a
5,33B a
E2 5,26B a
6,05B b
5,35B ab
E3 4,82B a
5,34B a
6,29C b
Inferior
E1 3,35A b
3,13A ab
2,53A a
E2 3,48A a
3,11A a
3,00A a
E3 3,29A a
3,29A a
3,14A a
NOTAS: 1) Em cada coluna, médias seguidas de mesma letra maiúscula não diferem entre si, pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade.
2) Em cada linha, médias seguidas de mesma letra minúscula não diferem entre si, pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade.
Pela Tabela 2.7, pode-se verificar que todos os tratamentos tiveram
mais fósforo assimilável no incremento superior (0 –1). O tratamento que
obteve a maior quantidade de fósforo assimilável retido foi o tratamento E3
36%, no incremento superior. Todos os tratamentos do incremento superior
foram maiores que no incremento inferior.
Tabela 2.7 - Comparação de médias para o fósforo assimilável (mg/kg)
INCREMENTO w% 28% 32% 36%
Superior
E1 2,72C b
1,21B a
1,03B a
E2 2,07BC a
2,75B b
2,30C a
E3 1,86B a
2,27B a
3,83D b
Inferior
E1 0,06A a
0,05A a
0,06A a
E2 0,31A a
0,13A a
0,06A a
E3 0,16A a
0,34A a
0,09A a
NOTAS: 1) Em cada coluna, médias seguidas de mesma letra maiúscula não diferem entre si, pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade.
2) Em cada linha, médias seguidas de mesma letra minúscula não diferem entre si, pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade.
Analisando-se as tabelas de comparação de médias é muito difícil
perceber a relação entre o aumento do fósforo total e do fósforo assimilável.
Somente se observa o aumento no incremento superior para ambos os casos.
59
Realizando-se a análise de variância, quando aplicado cada um dos efluentes
(Tabela 2.8), pode-se observar que ocorre o efeito tratamento, então se
realizou a análise de médias pelo teste de Tukey. Os resultados são
apresentados em forma de gráficos (Figura 2.7).
Tabela 2.8 - Fósforo analisado pela (ANOVA) para aplicação do E1, E2 e
E3
FONTE DE VARIAÇÃO GL Fc (PT) Fc(PA)Tratamentos (E1)Tratamentos (E2)Tratamentos (E3)
666
58,51 S35,33 S
114,34 S
51,40 S22,10 S60,94 S
NOTA: S = significativo, ao nível de 5% de probabilidade.
A Figura 2.7 mostra os resultados do fósforo total no lado esquerdo e
os resultados do fósforo assimilável no lado direito. Os dois primeiros gráficos
referem-se à aplicação do tratamento E1. O maior aumento foi para a coluna 1,
seguida pelas colunas 2 e 3. Ambas referem-se ao incremento superior. As
outras não tiveram aumento de fósforo, relativamente à quantidade de fósforo
antes dos tratamentos. Também houve aumento nas colunas para o fósforo
assimilável. Nota-se que o fósforo assimilável está em mg/kg e o fósforo total
em g/kg, logo, o aumento do fósforo assimilável é muito pequeno,
comparativamente ao fósforo total.
Quando aplicado E2 e E3, as colunas que tiveram os maiores aumento
foram a 1, 2 e 3, do incremento superior. Considerando que não se observou
um aumento significativo do teor de matéria orgânica no solo (Tabela 2.3) o
fósforo retido no incremento superior, deve se encontrar na forma inorgânica
(fosfatos e polifosfatos).
As quantidades de fósforo retidas no incremento superior, não
seguiram um padrão, pois muitos fatores estão envolvidos, como:
• Concentração inicial de fósforo na solução; sendo maior no tratamento
E1, espera-se reter mais nos tratamentos com esta água residuária
(HOODA et al., 1999).
• Teor de umidade de compactação que forma na matriz do solo
estruturas diferentes, com diferentes proporções de interagregados e
60
intra-agregados, causando maior fluxo de líquido e, com isso,
favorecendo as colunas que percolarem mais volume de poros, quando
aplicado E3 (ROMERO; GENS; LLORET, 1999).
• A presença de sólidos totais, principalmente de sais que causam
dispersão nas partículas do solo e influenciam no fluxo de líquidos.
• A adoção de diferentes critérios de coleta de amostras, tempo máximo
de 15 dias ou a percolação de, no máximo, 8 volumes de poros. Isso
pode levar a conclusões precipitadas, pois em 15 dias o tratamento E1
36% percolou 3 volumes de poros, enquanto que o tratamento com E3
28% percolou 8 volumes de poros em menos de um dia.
61
b
Figura 2.6 - Acumulação do fósforo no solo, aplicando E1, E2 e E3.
Colunas: 0, solo inicial; 1, 2 e 3, incremento superior nos teores
de umidade, 28, 32 e 36%; 4, 5 e 6 incremento inferior nos
teores de umidade 28, 32 e 36%.
NOTAS: Letras minúsculas são médias que não diferem entre si, pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade.
62
0 1 2 3 4 5 6Colunas
0
1
2
3
4
Fósf
oro
assi
milá
vel (
mg/
kg)
E1
a
c
bb
a a a
0 1 2 3 4 5 6Colunas
0
1
2
3
4
Fósf
oro
assi
milá
vel (
mg/
kg)
E2
a
b
b
b
aa a
0 1 2 3 4 5 6Colunas
0
2
4
6
8
Fósf
oro
tota
l (g/
kg)
E1
a
c
b b
a aa
0 1 2 3 4 5 6Colunas
0
2
4
6
8
Fósf
oro
tota
l (g/
kg)
E2
a
b
b
b
aa a
0 1 2 3 4 5 6Colunas
0
1
2
3
4
Fósf
oro
assi
milá
vel (
mg/
kg)
E3
a
b
b
c
aa
a
0 1 2 3 4 5 6Colunas
0
2
4
6
8
Fósf
oro
tota
l (g/
kg)
E3
a
bb
c
a a a
Considerando os resultados obtidos e discutidos sobre o fósforo no
solo, pode-se dizer que ele reagiu com os colóides do solo e precipitou,
complexou-se e ficou fortemente adsorvido.
O Latossolo Vermelho distroférico típico é de coloração escura,
indicando a presença de óxidos de ferro. Sendo este de caráter anfótero, reage
tanto com partículas negativas quanto com partículas positivas e é dependente
do pH do meio. Segundo LUCHESE, FAVERO e LENZI (2001), solos com pH
entre 5 e 7 reagem com óxidos.
Outra possibilidade para o fosfato é reagir com o alumínio
(Equação 2.1), visto que na caracterização química do solo ele apresenta
inicialmente um caráter ácido e com elevadas concentrações de H+ e Al3+.
De uma maneira geral, as argilas apresentam uma superfície
específica grande, com muitos sítios (KORETSKY, 1999). Isso abre uma
grande possibilidade para o fosfato ficar retido no solo, além da capacidade de
troca catiônica dos solos argilosos (VAN OLPHEN, 1977).
No Capitulo 1, observou-se uma variação no pH do percolado,
enquanto que a condutividade elétrica que, no início, era igual a do solo,
aumentou com a percolação dos volumes de poros. A seguir será avaliado o
comportamento das cargas no solo, considerando-se a carga dependente do
pH. Na Tabela 2.9 estão os resultados de variância (ANOVA) para o PCZ, o
pH e o potencial elétrico de superfície (Ψo), indicando a diferença de média
para os tratamentos.
Tabela 2.9 - Análise de variância (ANOVA) para PCZ, pH e potencial
elétrico de superfície (Ψo).
Fonte de variação GL Fc(PCZ) Fc(pH) Fc(Ψo)Tratamentos 18 3,18 S 38,08 S 11,62 SNOTA: S = significativo, ao nível de 5% de probabilidade.
Fazendo a análise das diferenças de médias pelo teste de Scott-Knott,
obtêm-se os resultados da Tabela 2.10. O PCZ teve apenas variação, ao nível
de 5%, para o tratamento E1 28% no incremento superior. Esse ponto foi
63
estimado, pois o solo demandava uma grande quantidade de ácido e mesmo
depois de muitos ensaios não foi possível determiná-lo, logo, o verdadeiro PCZ
pode ser menor.
Tabela 2.10 - Diferenças de médias para o PCZ, pH e Ψo
INCREMENTO TRATAMENTO PCZ pH Ψo
Superior
E1 28%
E1 32%
E1 36%
E2 28%
E2 32%
E2 36%
E3 28%
E3 32%
E3 36%
4,12
3,48
3,11
3,35
3,20
3,27
3,17
3,23
3,27
b
a
a
a
a
a
a
a
a
6,78
6,66
6,61
5,97
6,29
6,14
4,92
4,93
5,20
e
e
e
d
e
d
b
b
b
-157,14
-192,93
-188,41
-175,61
-181,13
-177,20
-96,37
-100,69
-114,07
b
b
b
b
b
b
a
a
a
Inferior
E1 28%
E1 32%
E1 36%
E2 28%
E2 32%
E2 36%
E3 28%
E3 32%
E3 36%
3,37
3,29
3,42
3,25
3,25
3,36
3,21
3,28
3,47
a
a
a
a
a
a
a
a
a
6,57
6,36
5,64
4,96
4,99
4,86
4,57
4,60
4,57
e
e
c
b
b
b
a
a
a
-192,54
-186,83
-134,91
-101,87
-102,66
-82,21
-76,50
-80,01
-82,01
b
b
a
a
a
a
a
a
a
Solo Antes 3,49 a 4,21 a -61,95 aNOTA: Em cada coluna, médias seguidas de mesma letra minúscula não diferem entre si,
pelo teste de Scott-Knott, a 5% de probabilidade.
Já o valor do pH inicial do solo foi maior que o PCZ, havendo
predominância de cargas negativas. Da mesma forma o valor do pH continua
sendo maior depois dos tratamentos, assim, continuam a predominar as cargas
negativas nos colóides do solo (KORETSKY, 1999).
O pH teve maior aumento para o tratamento com E1, tanto no
incremento superior quanto no incremento inferior, em quase todos os teores
de umidade. Parte do aumento do pH pode ser atribuído à alcalinidade do
64
efluente de suíno e da alta concentração de amônia. A amônia na presença de
ácido carbônico produz carbonato de amônia, que se apresenta solubilizado na
solução, nas formas de amônio (NH4+) e carbonato (CO3
2-). O carbonato, por
ser um ânion de um ácido fraco (H2CO3(aq)), sofre hidrólise liberando para o
meio hidroxilas (HO-), conforme as reações.
CO3-(aq) + H2O HCO3
-(aq) + HO-
(aq)
HCO3-(aq) + H2O H2CO3(aq0 + HO-
(aq) (2.3)
Portanto, nesse processo tem-se a formação de duas hidroxilas e de
dois hidrogênios ácidos, sendo consumidos no meio, logo, o meio está sendo
neutralizado (LUCHESE; FAVERO; LENZI, 2001).
Quando aplicado E2, o aumento do pH foi maior no incremento
superior do que no incremento inferior, como a solução estava mais diluída os
íons negativos ficaram retidos no incremento superior liberando mais
hidrogênios.
A variação ocorrida no E3 se deu somente pela adição do fosfato
monobásico de potássio, que ficou retido apenas no incremento superior
(Figura 2.7, pg. 61).
Quanto ao fosfato, pode reagir com as argilas, óxidos e formar
precipitados com alumínio, ferro e manganês, entre outros, liberando hidroxilas
para o meio (Equação. 2.1).
O nitrato adicionado nos efluentes não influencia nas reações que
ocorrem nos colóides do solo, pois como o solo tem predominância de cargas
negativas ele continua no meio e, por ser solúvel em água, é lixiviado
(LUCHESE; FAVERO; LENZI, 2001).
Considerando a diferença de médias, pelo teste de Scott-Knott, o
potencial elétrico de superfície teve um aumento de cargas negativas,
significativo ao nível de 5% de probabilidade, quando aplicado E1 e E2 no
incremento superior e E1 no incremento inferior nos teores de umidade 28 e
32%.
O aumento do Ψo ocorre devido à capacidade de troca catiônica e
aniônica dos colóides do solo. Como já verificado, os solos argilosos possuem
uma superfície específica grande, comparativamente aos solos arenosos,
65
nessas superfícies estão os sítios reativos. Os sítios reativos são responsáveis
por atraírem partículas de cargas opostas e/ou de mesma carga, mas com
afinidade maior (KORETSKY, 1999).
Analisando o PCZ, pH e o Ψo, observa-se que não houve alteração na
estrutura das partículas coloidais, mas a alcalinidade do tratamento E1 e a
presença de cargas de diferentes magnitudes provocaram alterações nas
superfícies e na dinâmica das cargas elétricas. E, de uma maneira menos
significativa, nos íons dependentes do pH como (NH4+) e (PO4
2-).
2.4 SUGESTÕES PARA FUTURAS INVESTIGAÇÕES
Considerando-se os dados obtidos nesta pesquisa, pode-se ainda
sugerir que:
• Posto que o fosfato reaja com óxidos e argilas, seria relevante
estudar a participação de cada um na retenção deste íon.
• Poder-se-ia estudar o aumento de sódio no solo, quando aplicada
água residuária, pois os sais como o sódio, influenciam na dinâmica
de cargas das partículas coloidais do solo,
66
2.5 CONCLUSÃO
Com base nos resultados da pesquisa, é possível concluir que:
• O fósforo ficou mais retido no incremento superior e a maior parte
dele era fósforo fracamente adsorvido.
• Os colóides do solo são dependentes do pH e têm predominância de
carga negativa.
• As cargas negativas são aumentadas com a aplicação dos efluentes.
• O potencial elétrico de superfície teve um aumento de cargas
negativas, proveniente da alcalinidade dos efluentes de suíno e de
íons dependentes do pH como (NH4+) e (PO4
2-).
67
REFERÊNCIAS
ANAMI, M. H. Determinação de parâmetros matemáticos decorrentes do processo de lixiviação de nitrato e fosfato de águas residuárias da suinocultura. Cascavel, 2003. 71 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia
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68
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VAN OLPHEN, H. Clay colloid chemistry – for clay technologists, geologist, e soil scientists. 2. ed. New York – London – Sydney – Toronto,
1977. 319 p.
69
ANEXOS
70
ANEXO A - DETERMINAÇÃO DO FOSFATO
A. PREPARO DOS PADRÕES
A.1. Preparo de 8 L da solução P-A (HCl 0,05M + H2SO4 0,0125M)
a) Colocar 500 mL de água destilada em um balão volumétrico de
1L;
b) Adicionar 32,5 mL de HCl concentrado; 5,6 mL de H2SO4
concentrado e completar o volume;
c) Transferir a solução para um recipiente de 10 L e completar com
água destilada para 8 L. Agitar bem.
A.2. Padrão misto concentrado (500 mg/L de P)
a) Pesar 2,196 g de KH2PO4 (seco a 105oC por uma hora) e
dissolver a 1L em balão volumétrico com solução P-A.
A.3. Padrão Misto diluído (10 mg/L de P)
a) Diluir 10 mL do padrão misto concentrado a 500 mL em balão
volumétrico com solução P-A.
A.4. Padrões de Trabalho
a) Pipetar alíquotas de 0.0 – 10 – 20 – 35 – 50 e 75 mL do padrão
misto diluído para balões volumétricos de 100 mL. Completar o
volume com P-A. Estes padrões contêm 0,0 – 1,0 – 2,0 – 3,5 –
5,0 e 7,5 mg/L de P.
B. PREPARO DA AMOSTRA ( EXTRAÇÃO COM HCl)
a) Transferir 100 mL da amostra homogeneizada para um béquer;
b) Adicionar 2 mL de HCl 50%;
c) Agitar intermitentemente por 10 minutos, tampar o béquer e
deixar decantar até o dia seguinte (a determinação será feita no
sobrenadante).
71
C. PREPARO DO REAGENTE MISTO
a) H2SO4 2,5m: diluir 70 mL de H2SO4 concentrado a 500 mL.
b) Molobdato de amônio: dissolver 20 g do sal para 500 mL com
água destilada (guardar em frasco de pyrex).
c) Ácido ascórbico 0,1M: dissolver 1,76 g de ácido ascórbico em 100
mL de água. Preparar a quantidade necessária no dia da
utilização, pois se oxida facilmente.
d) Antimonil tártaro de K (1 mg/mL de Sb): dissolver 0,273 g do sal
para 100 mL com água destilada.
e) Reagente Misto: misturar bem 50 mL de H2SO4 2,5 M com 15 mL
de molibdato de amônio. Adicionar 30 mL da solução de ácido
ascórbico e 5 mL da solução de antimonil tártaro de K (total 100
mL). Está solução deve ser preparada no dia da utilização ( não
se mantém por mais de 24 h.
D. LEITURA DA ABSORBÂNCIA
D.1. Curva Padrão
a) Transferir 20 mL de cada padrão para copo descartável
b) Adicionar 3 mL do reagente misto (não adicionar ao padrão de 0.0
mg/L de P);
c) Determinar a absorbância em espectrofotômetro visível em 882
nm após 10 minutos;
d) Com os valores das concentrações de fósforo conhecidas nos
padrões e os valores das absorbâncias lidas, montar a curva
padrão e encontrar a equação que melhor ajuste os dados (R2 ≈
1).
D.2. Leitura da Absorbância na Amostra
a) Transferir 20 mL da amostra (item 2) para copo descartável;
b) Adicionar 3 mL do reagente misto;
c) Determinar a absorbância em espectrofotômetro visível em 882
nm apís 10 minutos (a cor é estável por 24h).
72
E. CÁLCULOS
a) Substituir o valor da absorbância lida (y) na equação da curva
padrão e encontrar o valor correspondente do fósforo na amostra
(x);
b) O teor de fósforo é então calculado por:
P (mh/L) = x . fator de diluição
73
ANEXO B - LAUDO DAS ANÁLISES QUÍMICAS DO SOLO
74
ANEXO C - ESTIMATIVA DO PONTO DE CARGA ZERO
1. Coloca-se 4g de solo seco em béqueres de 50 mL e ajusta-se o pH com
ácido (HCl 0,1N) ou base (NaOH 1N), em uma faixa de valores
suficientemente larga para cobrir o pH0 esperado. Adiciona-se 0,5 mL de
solução eletrolítica KCl 0,1 molL-1 e completa-se o volume para 20 mL
com água destilada.
2. Permite-se que o solo atinja o equilíbrio por 4 dias, agindo
esporadicamente, então registra-se o pH de equilíbrio. Designa-se esses
valores como pH 0,002 M.
3. Adiciona-se 0,5 mL de solução eletrolítica KCl 2 molL-1, agita-se
suavemente por cerca de 3 horas, e registra-se o pH. Designa-se esses
valores como pH 0,05 M.
4. Para cada béquer, calcula-se:
ΔpH = pH0,05M – pH0,002M
e plota-se os pares de valores ΔpH versus pH0,002M para revelar o ponto
onde ΔpH = 0. Este é o pH0 – o valor de pH que é independente da
concentração salina.
75
ANEXO D - ANÁLISE ESTATÍSTICA
1.D MATÉRIA ORGÂNICA
Tabela 1D - Teor de matéria orgânica (g/kg)Tratamento Repetição
1Repetição
2Repetição
3Média Desvio
padrãoCV%
Sup.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
34,1334,8834,6233,8433,8933,2133,9434,5732,92
36,7731,6535,2935,2933,6833,4735,8135,2434,09
39,7435,1435,6634,1735,2933,8635,1733,3234,46
36,8833,8935,1934,4334,2933,5134,9834,3833,83
2,811,940,530,760,880,320,950,980,80
7,615,731,502,222,560,972,722,842,37
Inf.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
34,7434,5135,6935,2933,8335,2435,4035,0534,51
35,1735,2936,3135,4034,7534,6335,5933,5435,06
34,1334,4136,0835,2535,5033,3234,8334,4435,61
34,6834,7436,0335,3234,7034,4035,2734,0735,06
0,520,480,310,080,830,980,390,470,55
1,511,390,870,212,402,861,121,371,56
Tabela 2D - Análise de Variância (ANOVA) para matéria orgânica (MO)Fonte de variação GL SQ QM Fc (5%) (1%)Efluente (EF)Teor de umidade (W)Profundidade (P)EF x WEF x PP. x W EF x W x PResíduo
221422436
6,377,771,385,151,853,947,34
37,70
3,183,881,381,280,921,971,831,04
3,043,711,321,230,881,831,75
NSNNNNN
nnnnnnn
TOTAL 53 71,51NOTAS: CV% = 2,94. Média geral = 34,76, Número de observações = 54.
S, significativo, N, não significativo ao nível de 5% e n, não significativo ao nível de 1% de probabilidade.
76
2.D - FÓSFORO TOTAL
Tabela 3D - Fósforo total (g/kg)Tratamento Repetição
1Repetição
2Repetição
3Média Desvio
padrãoCV%
Sup.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
7,634,805,164,665,645,174,695,576,34
6,975,545,086,185,985,334,724,966,43
7,435,565,344,966,525,575,055,496,10
7,345,315,195,266,055,354,825,346,29
0,350,440,130,800,450,200,200,330,17
4,718,342,54
15,267,373,744,166,162,76
Inf.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
3,003,022,903,723,263,033,603,683,18
2,963,311,773,623,022,983,083,333,10
3,103,072,923,093,053,003,193,543,14
3,313,132,533,483,113,003,293,523,14
0,570,160,660,340,130,020,270,170,04
17,335,04
25,979,714,170,688,344,921,37
SOLO ANTES 2,87 3,05 3,12 3,01 0,13 4,27
Tabela 4D - Análise de Variância (ANOVA) para fósforo totalFonte de variação GL SQ QM Fc Sig.UmidadeProfundidadeEfluenteProfundidade x UmidadeEfluente*UmidadeEfluente*ProfundidadeEfluente*Umidade*ProfundidadeResíduo
2122424
34
0,020,72
86,066,641,940,386,674,19
0,010,36
86,061,660,970,191,670,11
0,0723,085
740,14414,2818,3211,648
14,346
NNSSSNS
TOTAL 53 106,61NOTAS: S, significativo e N, não significativo ao nível de 5% de probabilidade.
CV% = 8,49. Média geral = 4,40. Número de observações = 54.
77
3.D - FÓSFORO ASSIMILÁVEL
Tabela 5D - Fósforo assimilável (mg/kg)Tratamento Repetição
1Repetição
2Repetição
3Média Desvio
padrãoCV%
Sup.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
2,471,570,971,322,681,931,581,583,86
2,380,941,242,892,172,991,792,443,50
3,331,110,881,013,391,972,202,784,14
2,721,211,032,072,752,301,862,273,83
0,520,330,190,790,610,600,320,620,32
19,227,118,038,022,226,317,127,48,4
Inf.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
0,060,060,060,090,110,050,070,170,08
0,070,060,050,340,190,060,100,520,12
0,050,040,060,500,080,060,320,340,06
0,060,050,060,310,130,060,160,340,09
0,010,010,010,200,060,000,140,170,03
11,225,513,965,745,64,7
87,551,739,4
SOLO ANTES 0,05 0,05 0,05 0,05 0,00 6,7
Tabela 6D - Análise de Variância (ANOVA) para fósforo Assimilável
Fonte de variação GL SQ QM Fc Sig.EfluenteUmidadeProfundidadeEfluente x UmidadeEfluente x Profundidade.Profundidade x UmidadeEfluente x Umidade x ProfundidadeResíduo
2214224
34
3,110,10
58,805,591,750,416,504,91
1,550,05
58,801,400,880,201,630,14
11,3740,379
430,63110,2396,4271,493
11,910
SNSSSNS
TOTAL 53 81,18NOTAS: S, significativo e N, não significativo ao nível de 5% de probabilidade.
CV% = 31,25. Média geral = 1,18. Número de observações = 54.
78
4.D - FÓSFORO NO SOLO APLICANDO E1, E2 e E3
Tabela 7D - Análise de variância (ANOVA) para E1Fósforo total
Fonte de variação GL SQ QM Fc Sig.TratamentosResíduoTotal
61420
54,1652,15956,32
9,0270,1154
58,51 S
Fósforo assimilávelFonte de variação GL SQ QM Fc Sig.TratamentosResíduoTotal
61420
18,3290,832
19,161
3,0550,059
51,40 S
NOTAS: Fósforo total: CV% : 9,21. Média geral: 4,27. Número de observações: 21.
Fósforo assimilável: CV% : 32,91. Média geral: 0,74. Número de observações: 21
S, significativo e N, não significativo ao nível de 5% de probabilidade.
Tabela 8D - Análise de variância (ANOVA) para E2Fósforo total
Fonte de variação GL SQ QM Fc Sig.TratamentosResíduoTotal
61420
31,2712,065
33,336
5,2120,147
35,33 S
Fósforo assimilávelFonte de variação GL SQ QM Fc Sig.TratamentosResíduoTotal
61420
26,5342,802
29,336
4,4220,200
22,10 S
NOTAS: Fósforo total: CV% : 9,18. Média geral: 4,182. Número de observações: 21.
Fósforo assimilável: CV% : 40,87. Média geral: 1,09. Número de observações: 21
S, significativo e N, não significativo ao nível de 5% de probabilidade.
Tabela 9D - Análise de variância (ANOVA) para E3Fósforo total
Fonte de variação GL SQ QM Fc Sig.TratamentosResíduoTotal
61420
29,6300,605
30,235
4,9380,043
114,34 S
Fósforo assimilávelFonte de variação GL SQ QM Fc Sig.TratamentosResíduoTotal
61420
37,4501,434
38,884
6,2410,102
60,94 S
Fósforo total: CV% : 4,95. Média geral: 4,202. Número de observações: 21.
Fósforo assimilável: CV%: 25,54. Média geral: 1,25. Número de observações: 21
S, significativo e N, não significativo ao nível de 5% de probabilidade.
79
5.D - PCZ, pH e POTENCIAL ELÉTRICO DE SUPERFICIE NO SOLO
Tabela 10D - PCZTratamento Repetição
1Repetição
2Repetição
3Média Desvio
padrãoCV%
Sup.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
4,113,343,123,283,133,313,203,343,27
4,673,783,103,373,273,333,163,123,25
3,583,333,113,413,203,183,143,223,29
4,123,453,113,353,203,273,173,223,27
0,550,290,010,070,070,080,030,110,02
13,238,390,321,992,192,490,963,410,61
Inf.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
3,353,203,363,103,273,423,393,263,21
3,393,223,503,113,253,343,103,413,28
3,373,443,403,533,243,333,143,173,93
3,373,293,423,253,253,363,213,283,47
0,020,130,070,240,020,050,160,120,40
0,594,052,107,560,471,474,903,70
11,43SOLO ANTES 2,96 3,26 3,26 3,16 0,17 5,48
Tabela 11D - Análise de variância (ANOVA) PCZFonte de variação GL SQ QM Fc SigTratamentosResíduoTotal
183856
2,4811,0793,561
0,1380,028
4,85 S
NOTAS: CV% : 5,08. Média geral: 3,32. Número de observações: 57
S, significativo ao nível de 5% de probabilidade.
80
Tabela 12D - pHTratamento Repetição
1Repetição
2Repetição
3Média Desvio
padrãoCV%
Sup.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
6,646,406,806,436,196,044,954,955,28
6,776,736,595,526,166,234,954,905,15
6,946,846,455,966,536,164,854,955,18
6,786,666,615,976,296,144,924,935,20
0,150,230,180,450,210,100,060,030,07
2,223,442,667,623,261,561,170,581,31
Inf.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
6,066,685,574,855,034,904,604,634,58
6,716,785,385,035,054,874,534,604,58
6,945,635,964,994,904,814,584,584,56
6,576,365,644,964,994,864,574,604,57
0,460,640,300,100,080,050,040,030,01
6,9510,01
5,252,071,630,940,790,550,25
SOLO ANTES 4,31 4,19 4,13 4,21 0,09 2,18
Tabela 13D - Análise de variância (ANOVA) pHFonte de variação GL SQ QM Fc SigTratamentosResíduoTotal
183856
39,8582,209
42,068
2,2140,058
38,08 S
NOTAS: CV% : 4,37. Média geral: 5,52. Número de observações: 57
S, significativo ao nível de 5% de probabilidade.
Tabela 14D - Potencial elétrico de superfícieTratamento Repetição
1Repetição
2Repetição
3Média Desvio
padrãoCV%
Sup.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
-149,27-207,09-197,65-245,44-180,54-163,43-103,25-94,99
-111,51
-123,90-174,05-187,03-126,85-170,51-184,08-105,61-105,02-112,10
-198,24-197,65-180,54-157,53-192,34-184,08-80,24
-102,07-118,59
-157,14-192,93-188,41-176,61-181,13-177,20-96,37
-100,70-114,07
37,7917,01
8,6461,5510,9311,9214,02
5,153,93
-24,05-8,82-4,58
-34,85-6,03-6,73
-14,54-5,12-3,44
Inf.
E1 28%E1 32%E1 36%E2 28%E2 32%E2 36%E3 28%E3 32%E3 36%
-159,89-205,32-131,57-106,20-103,84-87,32-71,39-86,73-84,96
-219,48-225,97-110,92-113,28-106,20-90,27-84,37-70,21-76,70
-198,24-129,21-162,25-86,14-97,94-69,03-73,75-83,19-84,37
-192,54-186,83-134,91-101,87-102,66-82,21-76,50-80,04-82,01
30,2050,9625,8314,08
4,2511,51
6,918.704,61
-15,69-27,28-19,14-13,82-4,14
-14,00-9,04
-10,87-5,62
SOLO ANTES -79,65 -54,87 -51,33 -61,95 15,43 -24,91
81
Tabela 15D - Análise de variância (ANOVA) Potencial elétrico de superfícieFonte de variação GL SQ QM Fc SigTratamentosResíduoTotal
183856
12163122097
143729
6757581
11,62 S
NOTAS: CV% : -18,44. Média geral: -130,79. Número de observações: 57
S, significativo ao nível de 5% de probabilidade.
Tabela 16D - Parâmetros físicos nas colunas (efluente x teor de umidade)
Densidade (kN m-3) Volume de poros (mL) Porosidade (%) Grau de compactação (%)28% 32% 36% 28% 32% 36% 28% 32% 36% 28% 32% 36%
E1 13,37 13,89 13,83 107,24 105,60 103,62 0,56 0,54 0,55 98,22 102,06 101,61E1 12,05 13,56 13,72 94,27 102,25 102,32 0,60 0,55 0,55 88,57 99,61 100,78E1 12,37 13,31 13,79 114,62 111,44 101,83 0,59 0,56 0,55 90,91 97,77 101,30E2 13,29 13,95 13,33 102,43 106,04 100,98 0,56 0,54 0,56 97,68 102,47 97,94E2 13,06 13,39 14,45 96,12 93,48 95,69 0,57 0,56 0,53 95,95 98,39 106,15E2 13,09 13,78 14,03 102,41 99,07 103,59 0,57 0,55 0,54 96,16 101,23 103,07E3 13,20 13,53 13,10 96,13 102,42 103,32 0,57 0,56 0,57 97,01 99,44 96,25E3 12,95 13,98 13,67 96,07 98,30 104,49 0,57 0,54 0,55 95,15 102,70 100,48E3 13,36 12,92 13,29 94,25 100,36 104,58 0,56 0,57 0,56 98,17 94,94 97,65
X 12,97 13,59 13,69 100,39 102,11 102,27 0,57 0,55 0,55 95,31 99,84 100,58s 0,46 0,35 0,41 6,96 5,20 2,74 0,02 0,011 0,01 3,38 2,56 3,03
CV% 3,54 2,57 3,01 6,93 5,09 2,68 2,63 2,07 2,46 3,54 2,57 3,01
NOTAS: X :média; s: desvio padrão; CV%: coeficiente de variação.
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