respirometria com amostras indeformadas: uma...
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RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS:
UMA METODOLOGIA INOVADORA PARA INVESTIGAÇÃO DE
PARÂMETROS CINÉTICOS EM LEITOS DE WETLANDS CONSTRUÍDOS
HORIZONTAIS SUBSUPERFICIAIS EM ESCALA REAL
Curitiba
Junho 2015 1
André Baxter Barreto*
Gabriel Rodrigues Vasconcellos
Marcos von Sperling
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Introdução
&
Revisão de literatura
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
A grande pergunta:
Há diferença???
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Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
Revisão de Literatura
Luz
Fotossíntese
O2
O2
O2 O2 O2
O2
O2 O2
O2
(Kadlec and Wallace, 2009)
•As plantas e a liberação de oxigênio
•Respiração no tecido radicular
•Oxidação de substâncias
•Metabolismo microbiano (comensalismo e simbiose) 4
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Pressão ATM
Revisão de Literatura •Modelagem numérica nos SAC
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Revisão de Literatura •Modelagem numérica nos SAC
Modelo CWM1 – Simulações realizadas por Langergraber e Simunek (2012) considerando uma
liberação radicular de 5g O2/m2.d. (Wiessner et al. (2002): 4g O2/m
2.d)
NÃO considerando liberação de OXIGÊNIO
Considerando liberação de oxigênio
Langergraber e Simunek, 2012 6
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Revisão de Literatura •Modelagem numérica nos SAC
Langergraber e Simunek, 2011
Alterações na comunidade microbiana (XH, XFB, XA) - liberação radicular de 5g O2/m2.d
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Revisão de Literatura •Modelagem numérica nos SAC
BIO_PORE
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Hipóteses
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
SE HÁ VEGETAÇÃO
Há liberação de OD! (Mesmo com medições abaixo de
1,0mgO2/L – Eh/ORP)
SE HÁ LIBERAÇÃO DE OD
Há maior massa de biomassa aeróbia! (XH e XA
por exemplo)
MEDINDO A MASSA DE BIOMASSA AERÓBIA
Infere-se sobre a liberação de oxigênio! (e outros parâmetros)
Revisão de Literatura •Modelagem numérica nos SAC
Langergraber et al., 2009
Matriz estequiométrica
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Revisão de Literatura •Modelagem numérica nos SAC
Langergraber and Simunek, 2011
(OURA)
(OURH)
Respirometria!!
Respirometria!!
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Revisão de Literatura •Aplicabilidade da respirometria em SAC
Configuração de respirômetro proposto
por Andreottola et al. (2007).
COLUNA CULTIVADA
EM LABORATÍRIO!!!
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Curvas de oxigênio dissolvido obtidas por
Ortigara et al. (2010).
Revisão de Literatura •Aplicabilidade da respirometria em SAC
Respirogramas obtidos por Ortigara et al. (2010)
mostrando a taxa de consumo de oxigênio.
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Revisão de Literatura •O reator de leito fixo plantado – PFR - como ferramenta para
estudos sobre a rizosfera
2002
14
Fo
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Bar
reto
DE
SA
UF
MG
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Objetivos
Apresentar uma metodologia inovadora para realização de ensaios
respirométricos em amostras indeformadas de leitos de SAC de escoamento
horizontal subsuperficial em escala real.
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2) Avaliar as taxas de consumo de oxigênio da biomassa heterotrófica e autotrófica
nitrificante em amostras indeformadas de meio suporte de SAC vegetado.
1) Propor um método para obtenção de amostras indeformadas do meio
suporte em SAC de escoamento horizontal.
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Material e métodos
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Material e métodos •Área de estudo
•ETE Arrudas
•1,6 milhão de habitantes
•CePTS – UFMG/COPASA
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•Configuração da unidade experimental
•Reator UASB
•Volume: 22 m3
•Vazão: 80 m3/d
•TDH médio: 6,6 horas
•EH: 500 hab.
Parâmetro construtivo Valor
Comprimento da superfície (m) 25,0
Largura da superfície (m) 3,0
Altura do leito (m) 0,4
Altura útil do leito – lâmina d´água de projeto (m) 0,3
Inclinação longitudinal do fundo (%) 0,5
Volume total de escória em cada leito (m3) 27,6
•SACH
•Volume: 27,6 m3
•Vazão: 7,5 m3/d (cada)
•TDH médio: 1,30 d (NP) 1,43 (P)
•EH: 50 hab. (cada)
Material e métodos
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•Dispositivo para remoção de amostras indeformadas
Cesta interna
móvel
Cesta externa
fixa Nível d’água
0,35m
0,28m
0,28m
Largura do fundo 2,60m
Área transversal
0,11m²
Área transversal
0,971m² Altura do
meio suporte
0,40m
Largura do topo 3,0m
Amostra
indeformada Corte
Material e métodos
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Foto: André Baxter Barreto – DESA UFMG
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
•Adaptação do PFR – Planted Fixed Bed Reactor Material e métodos
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Foto
: A
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DE
SA
UF
MG
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
•Adaptação do PFR – Planted Fixed Bed Reactor – p/ respirometria Material e métodos
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Bomba de recirculação
(2 cabeçotes)
(Q ~ 1L/min)
Célula
de
Fluxo
OD/pH/ORP
T/CE Câmara
de
aeração
Reator
Célula
de
Fluxo
OD/pH/ORP
T/CE
Obs.: Operando nesta faixa de vazão o
sistema se comporta como um reator
de mistura completa (CSTR).
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Material e métodos •PFR como respirômetro
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Material e métodos •Ensaios respirométricos
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1. Aclimatação por 300 dias no meio suporte original (Canna x generalis e Typha latifolia)
2. Remoção do excesso de substrato pelo enxágue com água limpa
3. Aeração por 3 a 4 dias – alcance do estado endógeno
4. Concentração de OD medida a cada 1min.
5. Uso das equações 1 e 2 para determinação da respiração
6. Pulso de substrato com efluente ~ 85 mg/L DQO no respirômetro (efluente do UASB)
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Material e métodos •Ensaios respirométricos
25 Andreottola et al. (2007) e Ortigara et al. (2010)
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Material e métodos •Espécies utilizadas
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Canna x generalis
Typha latifolia
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Resultados e discussão
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Resultados e discussão •Respirometria em amostras indeformadas
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0
2
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Tem
pera
tura
da
ág
ua
( C
)
Con
c. O
2 (
mgO
2/L
) /
Resp
iração (
mgO
2/L
.h-1
)
Respirograma 09/04/ a 10/04/2015 - Amostra Typha latifolia
Conc. Entrada (mgO2/L) Conc. Saída (mgO2/L) Respiração (mgO2/L.h-1) Respiração Corrigida 20 C (mgO2/L.h-1) Temperatura da água ( C)
Parâmetro Cin Cout TCO TCO Corrigida 20°C
Número de dados 1201 1201 1201 1201
Média 7,47 7,28 0,64 0,49
Mediana 7,45 7,25 0,56 0,42
Desvio Padrão 0,17 0,24 0,47 0,36
Mínimo 7,22 6,70 -0,19 -0,15
Máximo 7,81 7,77 2,13 1,81
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Resultados e discussão •Respirometria em amostras indeformadas
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ág
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O2
/L)
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o (
mgO
2/L
.h-1
)
Respirograma 26/04 a 27/04/2015 - Amostra Canna x generalis
Conc. Entrada (mgO2/L) Conc. Saída (mgO2/L) Respiração (mgO2/L.h-1) Respiração Corrigida 20 C (mgO2/L.h-1) Temperatura da água ( C)
Parâmetro Cin Cout TCO TCO Corrigida 20°C
Número de dados 1130 1130 1130 1130
Média 7,44 5,86 5,25 3,19
Mediana 7,37 5,78 5,21 3,12 Desvio Padrão 0,30 0,39 0,44 0,42
Mínimo 7,00 5,11 4,38 2,63
Máximo 7,96 6,57 6,39 4,39
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Resultados e discussão •Respirometria em amostras indeformadas
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Tem
pera
tura
da
ág
ua
( C
)
Co
nc. O
2 (
mg
O2
/L)
/ R
esp
ira
çã
o (
mg
O2
/L.h
-1)
Respirograma 27/04 a 28/04/2015 - Amostra Canna x generalis
Conc. Entrada (mgO2/L) Conc. Saída (mgO2/L) Respiração (mgO2/L.h-1) Respiração Corrigida 20 C (mgO2/L.h-1) Temperatura ( C)
•Retorno a 4 mgO2/L.h-1 em aproximadamente 3 horas
Pulso de substrato
Parâmetro Cin Cout TCO TCO Corrigida 20°C
Número de dados 1193 1193 1193 1193
Média 7,38 5,30 6,91 4,49
Mediana 7,33 5,28 6,92 4,48 Desvio Padrão 0,42 0,62 0,77 0,51
Mínimo 6,30 3,02 5,11 3,09
Máximo 8,03 6,26 11,77 7,04
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Conclusões
Aparato adequado para respirometria com amostras indeformadas de SAC em escala real.
Resultados sugerem efeito espécie específico da vegetação nas taxas de respiração endógena.
Destaca-se como uma importante ferramenta para o avanço dos estudos sobre o meio suporte em
SAC horizontais.
*A pesquisa ainda está em andamento. Os ensaios respirométricos estão sendo aprimorados.
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BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Conclusões
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acompanhamento da evolução do amadurecimento do leito (diferentes posições).
obtenção de amostras não deturpadas (escavação / remoção biofilme) para respirometria.
O método desenvolvido permite:
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
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Conclusões
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contribui para investigações sobre a dinâmica da comunidade microbiana de
wetlands construídos e sua interação com a comunidade vegetal.
O método desenvolvido:
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Conclusões
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permite o cultivo de amostras com diferentes espécies de plantas e a comparação
das taxas de respiração endógena, heterotrófica e autotrófica nitrificante.
O método desenvolvido:
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
Foto: André Baxter Barreto
DESA UFMG
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
Conclusões
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Os resultados destas investigações podem ser comparados com modelagem
matemática validando ou obtendo dados para o modelo.
BARRETO et al., 2015. RESPIROMETRIA COM AMOSTRAS INDEFORMADAS DE WETLANDS HORIZONTAIS
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AGRADECIMENTOS
Professores e pesquisadores
Prof. Antônio T. de Matos
Profa. Juliana C. Araújo
Prof. Pablo H. Sezerino
Dr. Jean-Luc Vasel (ULg – Bélgica)
Dr. Uwe Kappelmeyer (UFZ – Alemanha)
Dr. Peter Kuschk (UFZ – Alemanha)
Colegas do DESA/CePTS
Msc. Gabriel Vasconcellos
Msc. Cynthia Andrade
Msc. Elias Mantaje
Msc. Jorge Zumalacarregui
Msc. Daniel Dias
Msc. Mateus Matos
Msc. Thiago Bressani
Msc. Valéria Rodrigues
Operadores
Sr. Raimundo
Sr. Juju
Alunos IC
Lara Coelho
Calebe Santos
Leandro Fernandes
Instituições
CAPES
CNPq
FINEP
FUNASA
COPASA
FAPEMIG
Vamos trabalhar juntos!