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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Adriana Ribeiro de Oliveira
INFLUÊNCIA DO TEMPO DE REPOUSO DO SOLO
NA INFILTRAÇÃO DE ESGOTO TRATADO
NATAL
2017
Adriana Ribeiro de Oliveira
INFLUÊNCIA DO TEMPO DE REPOUSO DO SOLO
NA INFILTRAÇÃO DE ESGOTO TRATADO
Trabalho de conclusão de curso na
modalidade Artigo Científico,
submetido ao Departamento de
Engenharia Civil da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte
como requisito parcial para obtenção
do título de Bacharel em Engenharia
Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Hélio Rodrigues dos Santos
NATAL
2017
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN Sistema de Bibliotecas – SISBI
Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede
Oliveira, Adriana Ribeiro de. Influência do tempo de repouso do solo na infiltração de esgoto tratado / Adriana Ribeiro de Oliveira. - 2017. 22 f.: il.
Artigo científico (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Ambiental. Natal, RN, 2017. Orientador: Prof. Dr. Hélio Rodrigues dos Santos. 1. Tratamento de esgoto - Monografia. 2. Biomat - Monografia. 3. Colmatação - Monografia. 4. Condutividade hidráulica - Monografia. I. Santos, Hélio Rodrigues dos. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 628.32
Adriana Ribeiro de Oliveira
Influência do tempo de repouso do solo na infiltração de esgoto tratado
Trabalho de conclusão de curso na
modalidade Artigo Científico, submetido ao
Departamento de Engenharia Civil da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
como requisito parcial para obtenção do título
de Bacharel em Engenharia Ambiental.
Aprovado em: 27 de novembro de 2017.
BANCA EXAMINADORA
__________________________________________
Dr. Hélio Rodrigues dos Santos – Orientador
__________________________________________
Dra. Juliana Delgado Tinôco- Examinadora Interna
__________________________________________
MSc. Larissa Caroline Saraiva Ferreira– Examinadora Externa
Natal
2017
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus pela saúde, coragem e sabedoria para sempre
seguir em frente, vencendo os obstáculos da vida.
Agradeço de forma especial ao meu pai, Marcos, e à minha mãe, Janete, por não
medirem esforços para que eu pudesse levar meus estudos adiante;
Ao meu orientador, Hélio Rodrigues, pela oportunidade concedida e confiança
depositada na execução do projeto;
Ao apoio de Brayan, meu amigo de curso, na realização das análises laboratoriais, e
ao qual tenho grande apreço;
A Ban e a todos os vigias, funcionários da estação de tratamento de esgoto da
UFRN, por toda ajuda na operação e manutenção dos sistemas e pela troca de
conhecimentos;
À Alfredo, da Empresa de Pesquisa Agropecuária do Rio Grande do Norte
(EMPARN), pelo acesso concedido ao laboratório para execução das análises;
Aos funcionários do LARHISA;
A todos os colegas de curso e aqueles que de alguma forma contribuíram com a
execução deste trabalho.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Formato das colunas de infiltração.............................................................11
Figura 2- Esquema experimental das colunas de percolação ......................................12
Figura 3- Curva granulométrica da areia....................................................................12
Figura 4- Condutividade hidráulica ao longo do tempo para percolação de
TS+FAn......................................................................................................................16
Figura 5- Remoção de SST, SSV e SSF nas colunas de
percolação…..............................................................................................................18
Figura 6- Remoção de ST, STV e STF nas colunas de
percolação..................................................................................................................18
Figura 7- Teor de matéria orgânica ao longo das colunas de
percolação..................................................................................................................19
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Índices físicos da areia............................................................13
Tabela 2: Delineamento experimental.....................................................14
RESUMO
A disposição de efluentes no solo ainda é bastante comum, sendo as principais unidades de disposição as valas de infiltração e os sumidouros. No entanto, a formação de biofilme (biomat) próximo à superfície de percolação do esgoto no solo e a obstrução dos poros do solo com o passar do tempo limita a vida útil dessas unidades. Após a colmatação, a recuperação dos sistemas de percolação será desafiadora, e de modo geral, ineficiente. Dessa forma, a aplicação de esgoto de forma intercalada nos solos é uma alternativa para aumentar a vida útil desses dispositivos. O período de repouso permite que a degradação do material orgânico ocorra por microrganismos aeróbios, com metabolismo mais rápido do que o dos microrganismos anaeróbios. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de avaliar a influência do tempo de repouso na infiltração de esgoto tratado em solos arenosos, considerando iguais períodos de aplicação de esgoto e repouso de 12h, 24h,48h e 7 dias. O experimento foi operado por 420 dias e durante esse período ensaios de condutividade hidráulica foram realizados nos efluentes de cada coluna e a análise da matéria orgânica retida em cada coluna foi feita ao final do período de operação de cada uma delas, quando já estavam colmatadas. Concluiu-se que a condutividade hidráulica diminui rapidamente com o tempo quando os intervalos de repouso e aplicação de esgoto são pequenos, a remoção de sólidos será maior quando o intervalo de aplicação e repouso for menor e que a colmatação do solo ocorre mais intensamente na camada próxima a superfície para todas as colunas, sem importar os intervalos de repouso/aplicação.
Palavras-Chave: Biomat; Colmatação; Condutividade hidráulica; Esgoto.
ABSTRACT
The disposal of effluents in the soil is still quite common, with the main disposal units being the infiltration ditches and sinks. However, the formation of a biofilm(biomat) on its surface of contact with the sewage and the obstruction of the pores of the soil throughout the time has limitated their useful life. After clogging, the recovery of those percolation systems will be challenging, and generally inefficient. Thus, the application of sewage, in an intercalated way, in soils appears as an alternative to increase the useful life of these devices. Resting periods allows the degradation of the organic material by aerobic microorganisms, which have a more efficient metabolism than the anaerobic ones. In this way, the present work aim to evaluate the influence of the time of rest in the infiltration of treated sewage in sandy soils, considering periods of sewage application of 12h, 24h, 48h and 7 days. The experiment was operated for 420 days and during this process hydraulic conductivity tests were performed on the effluent from the percolation columns, while the analysis of the organic material retained in each column was done at the end of the operation period of each one, when they were already clogged. It was concluded that the hydraulic conductivity decreases rapidly throughout time, when the interval between the resting time and the application of sewage is small, the removal of solids will be greater when the application interval and rest is minimum and that the soil clogging occurs more intensely in the layer close to the surface for all as columns, regardless of the rest / application intervals.
Keywords: Biofilm; Clogging; Hidraulic conductivity; Wastewater.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO......................................................................................9
2. MATERIAL E MÉTODOS......................................................................10
2.1 Instalações experimentais....................................................................10
2.2 Delineamento experimental..................................................................12
2.3 . PROCEDIMENTOS DE ENSAIO........................................................14
2.3.1 Ensaios de condutividade hidráulica................................................14
2.3.2 Análises laboratoriais.......................................................................15
2.3.3 Análise do solo.................................................................................15
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO.............................................................16
3.1 CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA.........................................................16
3.2 REMOÇÃO DE SÓLIDOS....................................................................17
3.3 ANÁLISE DO SOLO.............................................................................18
4. CONCLUSÕES.....................................................................................19
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................21
9
1.INTRODUÇÃO
Os efluentes provenientes do tanque séptico e filtro anaeróbio geralmente são
dispostos no solo. A disposição desses efluentes no solo é uma forma de tratamento
que envolve processos físicos, químicos e biológicos (KLUSENER FILHO, 2001). As
unidades mais empregadas para a disposição desses efluentes são a vala de
infiltração e os sumidouros, sendo os sumidouros recomendados para solos de maior
permeabilidade e as valas de infiltração para solos menos permeáveis conforme a
NBR 13969 (1997).
A determinação das dimensões construtivas de valas de infiltração e sumidouros é
feita considerando-se a capacidade de absorção do terreno através de ensaios de
infiltração no solo com água limpa. Há evidências de que, mesmo em sistemas
construídos em solos bem drenados, obstruções precoces têm ocorrido por se
considerar no dimensionamento das unidades de disposição somente a condutividade
hidráulica do solo (JONES; TAYLOR, 1965), enquanto as características dos esgotos
e sua relação com o solo em que interagem são muitas vezes negligenciadas.
Nas unidades de tratamento, com o passar do tempo, ocorre o acúmulo de sólidos
provenientes dos esgotos previamente tratados, pela retenção dos mesmos nos
interstícios dos grãos constituintes do solo. Além disso, observa-se também a
formação de uma fina camada biológica ou biofilme, também denominada biomat, que
se desenvolve próximo a superfície de infiltração (TOMARAS, 2009). Conforme o
material particulado do efluente fica retido na camada em que se desenvolve o
biofilme, ocorre a diminuição da condutividade hidráulica nessa região (SOLEIMANI
et al., 2009), mesmo em solos com textura mais grosseira (WILHEM; SCHIFF;
CHERRY,1994), potencializando a colmatação e, consequentemente, reduzindo a
vida útil das unidades de disposição final.
Ainda que haja esforços para a recuperação dos sistemas de percolação, deve-se
considerar que os procedimentos para a execução de tal tarefa são desafiadores, uma
vez que será preciso parar e esvaziar a unidade, desviar os esgotos provisoriamente,
efetuar a limpeza das superfícies de infiltração, dentre outros. Além disso, mesmo que
o sistema volte a operar, a condutividade hidráulica do solo não será a mesma de um
sistema recém-construído, de modo que a alternativa em muitos casos será a
construção de novas unidades de percolação, demandando novas áreas, com custos
geralmente elevados.
10
Nesse contexto, uma das estratégias potenciais para o prolongamento do tempo de
funcionamento de sistemas de disposição no solo consiste na aplicação intermitente
do esgoto tratado nas unidades, havendo, assim, o estabelecimento de diferentes
períodos de repouso entre as aplicações. Segundo Leverenz et al. (2009), a formação
da camada colmatante em solos saturados é muito mais rápida do que em solos com
dosagens intermitentes, nos quais ocorre o decaimento endógeno da biomassa no
intervalo entre as aplicações. Além disso, como vantagens, a aplicação intermitente
do esgoto é um método de baixo custo que permite, durante os períodos de repouso,
a degradação do material orgânico retido nas camadas superficiais do solo por meio
de processos aeróbios (LEVERENZ et al.,2009) nos quais atuam microrganismos que
utilizam oxigênio como aceptor de elétron, com metabolismo muito mais rápido e que
apresentam maior eficiência na degradação do material orgânico se comparado com
os microrganismos anaeróbios, comuns em sistemas nos quais o solo está
permanentemente saturado.
Desta forma, o objetivo do presente trabalho foi a avaliação da influência do
período de repouso do solo na capacidade de infiltração de efluentes, provenientes
de tanque séptico e filtro anaeróbio, em sistemas de percolação.
2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Instalações experimentais
As instalações experimentais foram inicialmente instaladas e operadas por outro
aluno durante cerca de 52 dias, sendo este período insuficiente para obtenção de
dados mais completos sobre as características de funcionamento de cada coluna. As
colunas de percolação utilizadas no experimento foram confeccionadas com tubos de
PVC, com diâmetro de 100 mm e altura útil de 40 cm (ver Figura 1). Durante o
funcionamento do sistema, todas as colunas foram recobertas com papel alumínio, de
modo a restringir a insolação e o possível desenvolvimento de algas e outros seres
fototróficos no interior das colunas. No interior dos tubos, a base inferior foi preenchida
com brita, que serviu como meio suporte para o leito de areia. Todas as colunas
funcionavam com carga hidráulica constante e descarga livre, não havendo controle
da vazão aplicada. A vazão que percolava pelas colunas era dependente do estado
de colmatação de cada uma delas. O fluxo era vertical, de cima para baixo com saída
11
pela válvula de coleta presente na porção inferior, de onde se realizava a coleta dos
efluentes para as análises.
Figura 1- Formato das colunas de infiltração
De modo a evitar o caminho preferencial do esgoto pelas faces laterais das colunas,
as paredes internas de cada coluna foram previamente recobertas por uma camada
de areia, fixada por cola.
A instalação experimental (Figura 2) foi montada em local próximo ao sistema de
tratamento (TS+FAn), em um pequeno abrigo, coberto com telha cerâmica, com toda
a área externa envolvida por uma lona preta, de maneira que o ambiente onde se
encontravam as colunas era inteiramente protegido de intempéries e outros fatores
externos (insolação, animais silvestres etc.). O reservatório responsável por alimentar
o sistema de percolação com afluente TS+FAn era abastecido através de uma bomba
centrífuga, que funcionava vinte e quatro horas por dia e bombeava o efluente final do
tratamento, através de recalque, para o reservatório de armazenamento, de onde
seguia para a alimentação, por gravidade, das colunas.
12
Figura 2- Esquema experimental das colunas de percolação
O solo usado nas colunas foi uma areia com granulometria média e uniforme (Figura
3), com coloração avermelhada e a caracterização física mostrada na Tabela 1. As
amostras de solo foram originárias de sedimentos de dunas do Parque das Dunas de
Natal/RN. Em cada coluna foi introduzida por SANTOS (2016) uma massa de solo de
forma fracionada, em quatro camadas de cinco centímetros, correspondente a 621,08
g de solo por camada.
Figura 3- Curva granulométrica da areia.
Fonte: FONTOURA (2015)
13
Tabela 1 – Índices físicos da areia
Índices físicos Valores
Massa especifica aparente dos
sólidos
Coeficiente de uniformidade, Cu
Coeficiente de curvatura, Cc
Diâmetro efetivo, D10
Índice de vazios mínimo, emín
Índice de vazios máximo, emáx
2,534 g/cm³
1,818
0,891
0,165
0,529
0,773
Fonte: Adaptado de SANTOS (2016)
Por sua vez, o efluente utilizado para percolação nas colunas era proveniente de um
sistema constituído de tanque séptico (TS) com duas câmeras em série seguido de
filtro anaeróbio (FAn). A vazão tratada pelo sistema (Ts+FAn) era de
aproximadamente 10 m3/dia, e a concentração de sólidos totais e sólidos suspensos
presentes no esgoto era em média, respectivamente, 488 mg/L e 48,6mg/L. O esgoto
bruto do TS apresentava características essencialmente domésticas, coletado das
residências universitárias, do departamento de educação física, do restaurante
universitário e do pouso universitário da Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Além disso, o efluente do filtro anaeróbico alimentava um tanque de
armazenamento, de onde ele era recalcado para alimentar as colunas.
2.2 Delineamento Experimental
Para avaliar a influência do tempo de repouso na capacidade de percolação de
efluentes de reatores anaeróbios em solos arenosos foram construídas quatro
configurações de colunas de percolação preenchidas com amostras de solo desse
tipo, nas quais era infiltrado o efluente de um sistema composto de tanque séptico
seguido por filtro anaeróbio (TS+Fan). O efluente era aplicado nas colunas em
períodos fixos, alternados por períodos de repouso (sem aplicação de esgoto),
conforme se verifica na Tabela 2. Cada configuração de coluna foi operada em
triplicata. Durante o período de alimentação do sistema era sempre mantida uma
carga hidráulica constante de 10 cm sobre todas as colunas de percolação.
14
Tabela 2- Delineamento experimental Colunas de aplicação
Período de repouso
Período de aplicação
Parâmetros monitorados
C.12h C.24h C.48h
C.7d
12h 24h 48h
7 dias
12h 24h 48h
7 dias
Sólidos (ST, STV, STF, SST, SSV e SSF) *, condutividade
hidráulica.
*ST – Sólidos Totais; STV – Sólidos Totais Voláteis; STF – Sólidos Totais Fixos; SST – Sólidos Suspensos Totais; SSV – Sólidos Suspensos Voláteis; SSF – Sólidos Suspensos Fixos.
Análises laboratoriais de sólidos foram realizadas semanalmente com os afluentes e
efluentes (TS+FAn) das colunas. A cada quatro dias era efetuada a medição da
condutividade hidráulica em cada sistema de percolação, a fim de se avaliar o grau
de colmatação em cada uma das colunas. As coletas foram realizadas nas
extremidades inferiores das unidades e mangueiras de alimentação dos dispositivos
de percolação. As colunas foram desativadas quando a condutividade hidráulica
atingiu valores próximos a 0,02 m/dia. Após a desativação, foi efetuada a análise dos
sólidos retidos nas camadas de cada coluna, através do ensaio de quantificação de
matéria orgânica do solo de preenchimento delas.
2.3 PROCEDIMENTOS DE ENSAIO
2.3.1 Ensaios de condutividade hidráulica
Os ensaios de condutividade eram realizados a cada quatro dias nas colunas C.12h,
C.24h, C.48h e C.7dias. Nas colunas C.24h, C.48h e C.7dias, ele era realizado antes
das 08h da manhã, horário inicialmente designado para o encerramento e aplicação
de esgoto nas colunas. Por sua vez, o ensaio nas colunas C.12h, embora feito no
mesmo dia que as demais colunas, iniciava-se em torno das 17h, por ser próximo ao
horário de encerramento às 20h. Para a medição da condutividade hidráulica, a coleta
do efluente era realizada na base inferior das colunas com uma proveta graduada de
15
50 ml, juntamente com o uso de um cronômetro para a medição do tempo necessário
para se obter um volume mensurável da amostra. De posse desses dados, e
conhecendo-se os valores da altura da camada de solo (20 cm), da carga hidráulica
de esgoto sobre o solo (10 cm) e da área da seção transversal das colunas (78,54
cm²), utilizou-se a Equação (1) para obter o valor da condutividade hidráulica (DAS,
2006).
K =V x L x 86.400
t x A x(L+h)x100 (1)
Onde: K – condutividade hidráulica (m/dia) V – volume coletado (ml) L – altura da coluna de solo (cm) t – tempo necessário para coletar V (s) A – área da seção da coluna (cm²) h – carga hidráulica sobre o solo (cm)
2.3.2 Análises laboratoriais
A análise laboratorial da concentração de sólidos era realizada uma vez por semana
nos afluentes e nos efluentes das colunas. O método utilizado na análise foi o de
gravimetria e seguiu as recomendações do Standard Methods for the Examination of
Water and Waste Water (APHA et al., 2012).
2.3.3 Análise do solo
No término da utilização de cada coluna de percolação, o solo de preenchimento das
colunas colmatadas foi analisado para obtenção do teor de matéria orgânica ao longo
da altura das colunas. Para isso, cada coluna foi particionada em quatro estratos de 5
cm de altura. Desse modo, foi possível verificar a retenção de partículas em cada
trecho da coluna, além de se conhecer a natureza deste material (orgânico ou
inorgânico) através do método da calcinação.
Primeiramente, as amostras foram removidas de cada coluna em frações separadas
e, em seguida, secas por 24 horas a 105ºC numa estufa, pesadas (P0) e levadas a
mufla por 5 horas à 550ºC. Após esse período, cada amostra foi pesada novamente
16
(P1) e a diferença entre o peso inicial e o final (P0 – P1) correspondeu ao teor de
matéria orgânica (adaptado de DAVIES, 1974).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA
Analisando-se os valores da condutividade hidráulica média em cada coluna de
percolação ao longo do tempo (Figura 4), percebeu-se que inicialmente todas as
colunas apresentaram valores altos de condutividade, decaindo ao longo do tempo.
Na Figura 4, também aparecem os valores médios da condutividade hidráulica
obtidos por SANTOS (2016), responsável pela montagem e operação das colunas
utilizadas nesta pesquisa ao longo de 52 dias. Dentre as colunas que passaram pelo
processo de aplicação intermitente, somente as colunas C.12h, C.24h e C.48h
mantiveram os valores de condutividade bem próximos e praticamente constantes a
partir do 86º dia de operação, estando já próximas do valor de colmatação, estipulado
em 0,02 m/dia. No 162º dia, as colunas C.12h passaram a ter dificuldade em infiltrar
a lâmina d’água de 10 cm de esgoto (correspondente à carga hidráulica) durante o
período de repouso, uma vez que já estavam completamente colmatadas, e, por isso,
foram desativadas e removidas. O mesmo aconteceu com as colunas C.24h, C.48h e
C.7d nos 166º, 170º e 420º dias de operação, respectivamente.
17
Figura 4- Condutividade hidráulica ao longo do tempo para percolação de AP e TS+FAn
Nas configurações C.7d, em que o tempo de repouso entre as aplicações de efluente
foi maior, a redução da condutividade do solo ocorreu de forma mais lenta devido à
aeração do meio granular, que propiciou a formação de um ambiente favorável ao
desenvolvimento de uma biomassa aeróbia que degrada de forma mais acelerada os
sólidos presentes no efluente do TS+FAn, impedindo por um certo tempo o
desenvolvimento do biofilme. No entanto, a aplicação constante de efluente do
TS+FAn ao longo do tempo permitiu que os sólidos retidos nos poros do solo e o
biofilme se desenvolvessem até o ponto da colmatação do solo. Nesse momento, a
condutividade hidráulica do sistema inteiro torna-se independente das diferentes
frequências de aplicações, adquirindo resistências hidráulicas semelhantes como
demonstrado por BEACH et. al (2005).
3.2 REMOÇÃO DE SÓLIDOS
A remoção de SST, SSV, SSF, ST, STV e STF nas colunas C.12h (Figuras 5 e 6) foi
maior em relação às demais configurações. Tal fato confirma que intervalos de tempo
curto entre aplicações de efluente apresentam a tendência de que mais sólidos fiquem
retidos ao longo das colunas, além de propiciar o desenvolvimento acelerado do
biofilme, que reterá uma maior parcela desses sólidos.
Por sua vez, nas colunas de C.7 dias, em que o intervalo de tempo de aplicação e
repouso era maior, a remoção de sólidos foi a menor. Isso pode ter ocorrido devido à
desobstrução dos poros do solo, consequência da maior velocidade de regeneração
dos vazios intergranulares nessas colunas, propiciada pelo contato mais longo com o
oxigênio do ar.
18
Figura 5-Remoção de SST, SSV e SSF nas colunas de percolação.
Figura 6- Remoção de ST, STV e STF nas colunas de percolação
3.3 ANÁLISE DO SOLO
Observando os teores de matéria orgânica presentes em cada uma das cinco
camadas do solo nas colunas C.12h, C.24h, C.48h e C.7dias (Figura 7), as quais
foram removidas, respectivamente, no 162º,166º,170º e 420º dias de operação,
constatou-se que a colmatação foi mais intensa na superfície do solo, fato já
19
demonstrado na literatura (BEACH et. al, 2005). Na coluna C.12h, o teor de matéria
orgânica retido na superfície foi um pouco menor do que nas demais configurações,
as quais retiveram valores de material orgânico bem próximos. De modo geral, isso
implica que, uma vez a superfície do solo estando colmatada, a capacidade de
infiltração no solo arenoso estará comprometida em todas as colunas.
Figura 7- Teor de matéria orgânica ao longo das colunas de percolação.
4. CONCLUSÕES
Através da pesquisa foi possível observar que os intervalos de tempo de
aplicação/repouso apresentaram uma relação direta com a condutividade hidráulica e
a remoção dos sólidos nos sistemas operados.
Todas as colunas, independente do intervalo de aplicação, sofreram ao longo do
tempo um decréscimo no valor de sua condutividade. Contudo, esse decréscimo levou
mais tempo a ser atingido pelas colunas que mantiveram maior intervalo de repouso.
Além disso, a capacidade de remoção de sólidos no sistema foi menor em sistemas
com maior tempo de repouso, evidenciando a capacidade de regeneração dos poros
intergranulares.
20
Ademais, verificou-se que a colmatação no solo ocorreu de maneira mais intensa na
região próxima à superfície para todos os sistemas, independentemente do tempo de
repouso e aplicação ao qual elas estiveram submetidas.
21
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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22
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