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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
Marcello da Silva Ferrão
ENSAIO DESTRUTIVO DE UM MODELO EM ESCALA DE UMA
BIORRETENÇÃO
Santa Maria, RS
2018
2
Marcello da Silva Ferrão
ENSAIO DESTRUTIVO DE UM MODELO EM ESCALA DE UMA
BIORRETENÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Engenharia Civil, da Universidade
Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como
requisito parcial para obtenção do grau de
Engenheiro Civil.
Orientador: Daniel Gustavo Allasia Piccilli
Santa Maria, RS
2018
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Marcello da Silva Ferrão
ENSAIO DESTRUTIVO DE UM MODELO EM ESCALA DE UMA
BIORRETENÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Engenharia Civil, da Universidade
Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como
requisito parcial para obtenção do grau de
Engenheiro Civil.
Aprovado em 23 de janeiro de 2018:
_______________________________________
Prof. Dr. Daniel Gustavo Allasia Piccilli (UFSM)
(Presidente/Orientador)
________________________________________
Prof. Me. Jean Favaretto (URI)
________________________________________
Eng. Civil Raviel Basso (UFSM)
Santa Maria, RS
2018
4
RESUMO
ENSAIO DESTRUTIVO DE UM MODELO EM ESCALA DE UMA
BIORRETENÇÃO
AUTOR: Marcello da Silva Ferrão
ORIENTADOR: Daniel Gustavo Allasia Piccilli
O sistema de drenagem é a infraestrutura de saneamento ambiental que mais sofre com as
alterações urbanas, principalmente pelo avanço das áreas impermeáveis. Os reflexos desse
processo sobre o meio ambiente urbano, como a ocorrência de alagamentos, cheias e
inundações, têm evidenciado os limites das soluções tradicionais de drenagem. Neste sentido,
a fim de minimizar os crescentes problemas de drenagem urbana, tenta-se fazer com que a água
das chuvas seja interceptada, retardando o tempo de sua chegada na rede de drenagem e,
consequentemente, diminuindo a vazão de pico. Para isso, várias estruturas alternativas vêm
sendo sugeridas, tais como pavimentos permeáveis, reservatórios de detenção, telhados verdes,
trincheiras de infiltração e trincheiras de evapotranspiração. Sendo assim, o objetivo deste
estudo foi avaliar parâmetros físicos de um sistema de biorretenção isolado (trincheira mista,
infiltração/evapotranspiração). A trincheira foi construída em material transparente para
possibilitar o acompanhamento de todo o seu funcionamento. Durante o experimento, o
dispositivo recebeu somente as precipitações anuais diretas, sem nenhum tipo de manutenção.
Após 5 anos da sua montagem, foi realizado um ensaio destrutivo no dispositivo para a coleta
de material e posterior avaliação de diferentes parâmetros físicos. Os resultados sobre as
propriedades físicas do solo mostram que as diferentes camadas apresentaram variação na
densidade e na capacidade de retenção de água. Além disso, observou-se diferenças na
porosidade, possivelmente pela presença de um grande volume de raízes no dispositivo. Em
relação a capacidade de troca de cátions, pode-se observar que seus valores mais significativos
estavam presentes nos primeiros 5cm da primeira camada de solo e no sedimento. Além disso,
foi possível verificar a presença de biofilme ao fundo do dispositivo, em suas faces e nos pneus
da câmara anaeróbia. No biofilme foram identificadas bactérias livres ou associadas em arranjos
(diplococos), cianobactérias filamentosas, clorofíceas e muitas algas do grupo das diatomáceas.
O estudo realizado mostra-se de extrema importância, pois foi possível realizar o registro
fotográfico de todas as etapas, desde a concepção até o ensaio destrutivo do dispositivo,
possibilitando a coleta de material com acurácia e o acompanhamento de aspectos
quali/quantitativos, que antes não era possível, devido as trincheiras serem soterradas.
Palavras-chave: Urbanização. Sistemas sustentáveis de drenagem. Trincheira mista.
Propriedades físicas do solo. Biofilme.
5
ABSTRACT
DESTRUTIVE TESTING OF A BIORRETENTIAL SCALE MODEL
AUTHOR: Marcello da Silva Ferrão
ADVISOR: Daniel Gustavo Allasia Piccilli
The drainage system is the environmental sanitation infrastructure that suffers most from urban
alterations, mainly due to the advancement of impermeable areas. The effects of this process
on the urban environment, such as the occurrence of floods, floods and floods, have highlighted
the limits of traditional drainage solutions. In this sense, in order to minimize the increasing
problems of urban drainage, it is tried to make the rainwater intercepted, delaying the time of
its arrival in the drainage network and, consequently, reducing the peak flow. For this, several
alternative structures have been suggested, such as permeable pavements, detention tanks,
green roofs, infiltration trenches and evapotranspiration trenches. Therefore, the objective of
this study was to evaluate the physical parameters of an isolated biorretenation system (mixed
trench, infiltration / evapotranspiration). The trench was built in transparent material to allow
the monitoring of all its operation. During the experiment, the device received only the annual
direct precipitation, without any type of maintenance. After 5 years of assembly, a destructive
test was performed on the device for the collection of material and subsequent evaluation of
different physical parameters. The results on the physical properties of the soil show that the
different layers presented variation in density and water retention capacity. In addition,
differences in porosity were observed, possibly due to the presence of a large volume of roots
in the device. In relation to the cation exchange capacity, it can be observed that its most
significant values were present in the first 5 cm of the first soil layer and in the sediment. In
addition, it was possible to verify the presence of biofilm at the bottom of the device, on their
faces and on the tires of the anaerobic chamber. In the biofilm, free or associated bacteria were
identified in arrangements (diplococci), filamentous cyanobacteria, chlorophytes and many
algae from the diatomaceous group. The study was extremely important because it was possible
to carry out the photographic registration of all the stages, from conception to the destructive
testing of the device, allowing the collection of material with accuracy and the monitoring of
qualitative / quantitative aspects, which before was not possible, because the trenches were
buried.
Keywords: Urbanization. Sustainable drainage systems. Mixed trench. Physical properties of
soil. Biofilm.
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Alterações nos hidrogramas de vazão decorrente do processo de
urbanização não planejado e do aumento das superfícies
impermeáveis............................................................................................
12
Figura 2 - Variabilidade do escoamento com o aumento das superfícies
impermeáveis............................................................................................
13
Figura 3 - Desenho esquemático de uma trincheira de infiltração em
funcionamento..........................................................................................
17
Figura 4 - Trincheira de infiltração em uma residência e Trincheira em um
canteiro central de rodovias......................................................................
18
Figura 5 - Exemplo esquemático e aplicação de uma fossa bananeira..................... 20
Figura 6 - Desenho esquemático de um jardim de chuva e jardim de chuva
instalado próximo à rodovia.....................................................................
20
Figura 7 - Perfil de uma biorretenção típica.............................................................. 21
Figura 8 - Aplicação de uma biorretenção................................................................ 22
Figura 9 - Desenvolvimento de um biofilme............................................................ 30
Figura 10 - Localização do município de Santa Maria............................................... 31
Figura 11 - Localização da trincheira no campus da UFSM....................................... 31
Figura 12 - Montagem da trincheira............................................................................ 32
Figura 13 - Coleta de amostras de solo....................................................................... 34
Figura 14 - Coleta de amostras de solo em dois pontos diferentes da estrutura ........ 36
Figura 15 - Coleta e armazenamento das amostras de solo........................................ 36
Figura 16 - Coleta das biomassas seca e verde........................................................... 37
Figura 17 - Coleta do biofilme.................................................................................... 38
Figura 18 - Local de coleta das amostras.................................................................... 40
Figura 19 - Cobertura vegetal da trincheira................................................................ 40
Figura 20 - Características físicas do solo das amostras – Umidade
Volumétrica..............................................................................................
41
Figura 21 - Presença de raízes do dispositivo de biorretenção................................... 42
Figura 22 - Desenvolvimento de uma camada de biofilme em diferentes partes do
dispositivo................................................................................................
47
Figura 23 - Evidência do biofilme pela técnica de contraste com tinta nanquim....... 49
Figura 24 - Presença de biofilme através da técnica de coloração de Gram e
presença de diatomáceas..........................................................................
49
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características físicas do solo das amostras............................................. 40
Tabela 2 - Valores obtidos para a Biomassa.............................................................. 44
Tabela 3 - Valores do pH ativo do solo..................................................................... 44
Tabela 4 - Valores da Carga Orgânica Total............................................................. 44
Tabela 5 - Valores obtidos para a Capacidade de Troca Catiônica (cmol/kg).......... 45
Tabela 6 - Valores obtidos para Metais Biodisponíveis............................................ 45
8
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO......................................................................................................
1.1 OBJETIVOS.........................................................................................................
1.1.1 Objetivo geral...................................................................................................
1.1.2 Objetivos específicos........................................................................................
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.............................................................................
2.1 SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA……………………………………...
2.2 ESTRUTURAS SUSTENTÁVEIS DE DRENAGEM URBANA……………...
2.2.1 Trincheiras de infiltração……….…………………………………………...
2.2.2 Trincheiras de evapotranspiração ou “fossa bananeira”.............................
2.2.3 Trincheiras mistas…………..………………………………………………..
2.2.4 Sistema de biorretenção………….…………………………………….…….
2.3 PROPRIEDADES FÍSICAS DO SOLO……………….………………………..
2.3.1 Porosidade do solo (Pt)....................................................................................
2.3.2 Retenção da água no solo…………………………….……………………...
2.3.3 Capacidade de troca de cátions - CTC………………………………....…...
2.4 BIOFILME……………………………………………………………………....
3 MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO…………………………………………...……
5 CONCLUSÃO........................................................................................................
REFERÊNCIAS........................................................................................................
9
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11
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30
39
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53
9
1 INTRODUÇÃO
O processo de urbanização que ocorre sobre as bacias hidrográficas gera uma forte
pressão espacial sobre sua área de abrangência, tornando-a cada vez mais vulnerável às
modificações de uso e ocupação do solo. Dois aspectos são diretamente sensíveis à
impermeabilização das superfícies, decorrente da urbanização: a queda da recarga subterrânea,
em razão da queda dos volumes de infiltração e, a elevação dos deflúvios urbanos (CHAHAR
et al., 2012).
Com o desenvolvimento urbano, as superfícies naturais são substituídas por pavimentos
e telhados que não permitem a infiltração no solo. O sistema de drenagem urbana é a infra-
estrutura de saneamento ambiental que mais sofre com as alterações urbanas, principalmente,
pelo avanço das áreas impermeáveis em detrimento das superfícies naturais. Esse processo de
impermeabilização interfere nos processos hidrológicos, principalmente no balanço hídrico,
diminuindo as taxas de infiltração e aumentando o escoamento superficial; no clima, em
pequena escala, gerando ilhas de calor e; e nos aspectos sociais, pela vulnerabilidade da
população, devido a ocorrência de alagamentos, cheias e inundações nas áreas urbanas.
Os reflexos desse processo sobre o meio ambiente urbano têm evidenciado os limites
das soluções tradicionais de drenagem urbana, por serem pouco flexíveis e adaptáveis às
mudanças de uso e ocupação do solo, frequentes em processos de urbanização. Assim, o
conceito dos sistemas tradicionais de drenagem urbana relacionado à prática do rápido
escoamento das águas pluviais têm se mostrado insustentáveis quando inseridos na realidade
atual de muitas cidades.
A fim de minimizar os crescentes problemas de drenagem urbana, tenta-se fazer com
que a água das chuvas seja interceptada, retardando o tempo de sua chegada na rede de
drenagem e, consequentemente, diminuindo a vazão de pico. Neste sentido, várias estruturas
alternativas vêm sendo sugeridas tais como: pavimentos permeáveis, reservatórios de detenção,
telhados verdes, trincheiras de infiltração e trincheiras de evapotranspiração (ASCE, 1992).
Segundo Fujita (1996), esses dispositivos alternativos desempenham papel fundamental no que
se refere a melhorias ecológicas no ciclo da água em meio urbano.
As trincheiras de infiltração são estruturas lineares que armazenam a água precipitada
por tempo suficiente para sua infiltração no solo. Funcionam como reservatórios convencionais
de amortecimento de cheias, apresentando bom desempenho uma vez que elas favorecem a
infiltração da água no solo, com consequente redução dos volumes escoados e das vazões
máximas de enchentes (AZZOUT et al., 1994; BALADES et al., 1998). Segundo Shaver
10
(1986), trincheiras de infiltração são projetadas para capturar um volume de escoamento que
será drenado completamente no subsolo dentro de algum tempo especificado para que o risco
de estouro como resultado de outra tempestade seja mínimo. Essas trincheiras podem contribuir
muito com a redução do escoamento superficial, armazenando a água com tempo suficiente
para ela ser infiltrada e reduzindo os riscos de inundação.
Por outro lado, as trincheiras de evapotranspiração, fossa bananeira, ou até mesmo
tanque de evapotranspiração, são um sistema fechado de tratamento de esgoto doméstico, onde
não há infiltração do efluente no solo e onde as plantas realizam o processo de
evapotranspiração desta água (GALBIATI, 2009). Conforme Larsson (2003), essas estruturas
proporcionam o tratamento e o reaproveitamento dos nutrientes das águas negras (proveniente
de vaso sanitário), para produção de flores e frutas.
Além disso, existe a trincheira de infiltração e evapotranspiração cujo sistema de
tratamento de efluentes é utilizado normalmente no controle dos efluentes pluviais. Esse
dispositivo combina as vantagens de ambos os sistemas, uma vez que ajuda a recuperar a
infiltração e evapotranspiração local, ao mesmo tempo que trata a parte qualitativa do efluente
pluvial.
No Brasil, apesar de alguns estudos terem investigado os benefícios dos dispositivos de
infiltração e evapotranspiração, existem poucos dados na literatura sobre dispositivos de
biorretenção. Dessa forma, neste estudo serão avaliados parâmetros como a formação e
composição de biofilme, bem como aspectos físicos do solo em um sistema de biorretenção
isolado. Para isso, uma trincheira mista foi construída dentro dos limites da Universidade
Federal de Santa Maria (UFSM), próxima do Laboratório de Hidráulica, no dia 28 de junho de
2012.
Em sua concepção foi preconizado o material que seria utilizado, uma vez que seria
necessário este ser transparente para possibilitar o acompanhamento do crescimento das raízes,
bem como a formação do biofilme. Esse dispositivo foi construído para representar os processos
que ocorrem, em escala menor, numa outra trincheira mista soterrada, também instalada na
UFSM.
O material escolhido foi o acrílico de 1cm de espessura e com volume de um metro
cúbico. Suas faces foram cobertas com lona para bloquear a entrada de luz e sua construção foi
realizada seguindo todos os horizontes da soterrada, apenas em menor escala. Durante alguns
meses, a água de um córrego foi coletada e despejada dentro do dispositivo para realização de
análises da qualidade de água antes e depois da percolação pela estrutura e os resultados obtidos
11
mostraram que o dispositivo apresentou ótimo desempenho na atenuação de alguns parâmetros
de qualidade da água.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
Avaliar parâmetros físicos de um sistema de biorretenção isolado (trincheira mista,
infiltração/evapotranspiração).
1.1.2 Objetivos específicos
- Avaliar o funcionamento de uma biorretenção;
- Realizar o ensaio destrutivo do dispositivo e coleta de material para avaliação:
- da presença de biofilme na câmara anaeróbica e sua composição
- dos aspectos físicos do solo que contribuem para a manutenção da vida vegetal
- da possibilidade de contaminação do solo por metais, provenientes da decomposição
dos pneus instalados na câmara anaeróbica.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA
O intenso processo de urbanização ocorrido nas últimas décadas ocasionou sucessivas
transformações no meio ambiente gerando um quadro caótico em muitas cidades, devido estas
não possuírem infraestrutura adequada para suportar a elevada taxa populacional
(VENDRAME, LOPES, 2005; BRITES, GASTALDINI, 2005). Isso ocorre pela falta de um
planejamento integrado entre as infraestruturas que compõem a cidade, profissionais
especializados e legislações vigentes, principalmente nos âmbitos urbano e ambiental.
Esses processos de urbanização que ocorrem sobre as bacias hidrográficas geram uma
forte pressão espacial sobre sua área de abrangência, tornando-a cada vez mais vulnerável às
modificações de uso e ocupação do solo. Essa vulnerabilidade ocorre principalmente pelo
avanço das áreas impermeáveis em detrimento das superfícies naturais, o que dificulta a
infiltração das águas pluviais e direciona maior parcela de água ao escoamento superficial
12
(ARAÚJO et al., 2000; VENDRAME, LOPES, 2005), gerando o problema das cheias urbanas,
alagamentos e inundações. Estima-se que para uma mesma bacia, o pico da vazão pode
aumentar até seis vezes como decorrência de sua urbanização (TUCCI, 2000).
A Figura 1 apresenta os efeitos do processo de urbanização não planejado e do aumento
da impermeabilização no hidrograma de vazão. Esses efeitos são o aumento dos picos de vazão;
a diminuição no tempo dos hidrogramas, antecipando os picos de vazões e; o aumento na
velocidade do escoamento superficial.
Figura 1 - Alterações nos hidrogramas de vazão decorrente do processo de urbanização não
planejado e do aumento das superfícies impermeáveis.
Fonte: Adaptado de Tucci, 2007.
Uma sequência de impactos é gerada por esse processo, os quais alteram
significativamente o espaço e qualidade urbana e ambiental. Esses impactos englobam desde
questões ambientais, como o comprometimento dos recursos hídricos, quanto questões sociais,
como as ocupações em áreas ambientalmente frágeis – várzeas, morros, vales e áreas
ribeirinhas.
Nesse contexto, um dos sistemas de infraestrutura mais comprometido é o de água –
saneamento básico. Esse sistema integra as águas de abastecimento, englobando sua qualidade
e quantidade; o esgotamento sanitário, composto por redes coletoras, estação de tratamento e
destinação final de efluentes; o sistema de drenagem urbana, somadas a áreas de infiltração,
retenção, acumulação e transportes das águas pluviais; e o sistema de coleta, transporte e
destinação final de resíduos sólidos (RIGHETTO et al, 2009).
13
O sistema de drenagem urbana torna-se bastante vulnerável a essas alterações de
cobertura do solo, desencadeando uma diversidade de impactos que ocorrem sobre a população
e o meio em que vive. Os principais problemas associados a esse sistema são:
- Sobrecarga no sistema de drenagem existente – tanto pelo aumento do volume escoado, quanto
pela carga de esgotos e resíduos sólidos recebidos;
- Maior frequência de alagamentos e inundações – potencializados pela impermeabilização do
solo e canalização de rios urbanos e canais;
- Deterioração da qualidade das águas – pela falta e/ou ineficiência no tratamento de esgotos,
principalmente domésticos e industriais;
- Desastres naturais – pelo transbordamento de canais, inadequado uso e ocupação do solo,
processos erosivos e produção de sedimentos;
- Alterações na paisagem – mudança física no ambiente e poluição visual;
- Interferência na saúde pública – maior proliferação de vetores e doenças, devido à poluição
nos sistemas de drenagem urbana, principalmente em canais.
As águas que antes retornavam ao ciclo hidrológico, principalmente, pelos processos de
infiltração e evapotranspiração, agora escoam aceleradamente e com maior volume por
telhados, calçadas, ruas, condutos e canais. A Figura 2 apresenta um esquema do impacto
causado pela urbanização nos índices dos processos de evapotranspiração, escoamento e
infiltração.
Figura 2 - Variabilidade do escoamento com o aumento das superfícies impermeáveis.
14
Fonte: Adaptado de FISRWG, 1998.
Nesses cenários, a rápida ocupação dos espaços não procura compreender como solo,
água e plantas estão integradas à natureza, buscando mitigar os efeitos adversos da introdução
de superfícies impermeáveis. Dependendo do nível de desenvolvimento e da metodologia de
planejamento aplicada, o volume escoado pelas superfícies impermeáveis pode representar
50% ou mais do volume precipitado (PRINCE GEORGE’S COUNTY, 2007).
Associada à questão das enchentes, cuja ocorrência gera uma série de impactos
econômicos, sociais e ambientais, há também a questão da alteração da qualidade das águas,
uma vez que as redes de drenagem de águas pluviais veiculam elevadas cargas de poluentes,
constituindo uma das principais fontes de degradação dos recursos hídricos (MORAES,
JORDÃO, 2002; PAZ et al., 2004; BRITES, GASTALDINI, 2005; BOLLMANN, MARQUES,
2006). Os gases e partículas poluentes que ficam na atmosfera e sobre as superfícies urbanas
são carreados junto com as águas precipitadas e do escoamento superficial.
Segundo Tucci (2007), as águas pluviais não são mais consideradas limpas como
conceituadas anteriormente, devido a quantidade de material suspenso e metais pesados
15
encontrados na drenagem pluvial, ar e materiais depositados sobre as superfícies impermeáveis.
Essa carga poluente é considerada superior à encontrada nos esgotos in natura, nos primeiros
25 mm de chuva (first flush), concentrando assim, 95% da carga poluente. Alguns dos poluentes
associados às águas do escoamento superficial são materiais em suspensão; materiais orgânicos
– biodegradação e bactérias; hidrocarbonetos e metais pesados – poluentes hidrogenados,
fosforados e tóxicos; e poluentes microbiológicos – coliformes fecais (SOUZA, 2002).
Neste cenário, buscando neutralizar os efeitos negativos da urbanização desordenada
dos últimos anos, surgiram técnicas com o objetivo de manter o ciclo hidrológico urbanizado
de determinada região o mais próximo do ciclo hidrológico natural (BAPTISTA et al., 2005).
Posteriormente, o papel do solo e da vegetação ganhou destaque no controle quali/quantitativo
de águas pluviais, com estruturas que promovem a infiltração, a evapotranspiração e o contato
da água com bactérias e plantas (SOUZA et al., 2012).
Neste sentido, as alterações nos processos hidrológicos e de qualidade da água causadas
pela urbanização e a ineficiência dos dispositivos, disponíveis atualmente, empregados no
escoamento das águas pluviais urbanas criam a necessidade de estudo de alternativas para o seu
controle, buscando nova forma de gestão para a questão das águas pluviais urbanas.
2.2 ESTRUTURAS SUSTENTÁVEIS DE DRENAGEM URBANA
Com o crescente processo de urbanização e o consequente aumento das superfícies
impermeáveis, os padrões de escoamentos naturais são significantemente alterados. Os
processos de infiltração, evapotranspiração e retenção das águas são reduzidos, enquanto os
deflúvios superficiais, principalmente a jusante, aumentam rapidamente.
O manejo das águas pluviais urbanas tem como objetivo aliar a melhoria da qualidade
de vida, através de um planejamento integrado e sustentável do homem e meio ambiente. Nesse
contexto, novas alternativas estão sendo desenvolvidas para dar suporte ao sistema de
drenagem urbana existente.
Essas alternativas são chamadas de técnicas compensatórias, ambientais ou sistemas
não convencionais para a drenagem urbana tem como objetivos minimizar os efeitos da
urbanização, diminuir a geração dos volumes de escoamento e vazões a jusante, maximizar o
controle na fonte, resgatar os processos envolvidos no ciclo hidrológico e potencializar o
controle da qualidade das águas e a recarga de aquíferos.
As técnicas compensatórias são classificadas em medidas não estruturais e estruturais.
As medidas não estruturais utilizam meios naturais na redução do escoamento, não englobando
16
obras civis, mas sim questões sociais, onde a participação popular é fundamental para um bom
desempenho dessas medidas. Já as medidas estruturais envolvem obras de engenharia
destinadas a minimizar os volumes gerados, destinando-se a armazenar e reter as águas
escoadas superficialmente, permitindo o controle quali-quantitativo das vazões geradas
(NASCIMENTO, BAPTISTA, 2009; RIGHETTO et al, 2009; ROY-POIRIER et al, 2010).
Segundo Canholi (2005), as técnicas compensatórias de controle na fonte geralmente
são inseridas próximas aos locais de geração de deflúvios e diferem do conceito tradicional de
canalização, por aumentarem as taxas de retenção e infiltração das águas, retardando seus
volume e fluxo nas superfícies impermeáveis, no sistema de drenagem existente e nos corpos
d’água. O objetivo é reduzir os picos das vazões veiculadas para a rede de drenagem, para que
a urbanização proposta não amplie os picos naturais de escoamento, ou intensifique os
anteriores.
As técnicas compensatórias se inserem no conceito de Best Management Practices
(BMP’s), prevendo soluções para o desenvolvimento urbano baseado no princípio de que as
áreas alteradas tenham um comportamento similar às condições hidrológicas de pré-
desenvolvimento. Essas boas práticas de manejo (BMP’s) baseiam-se na minimização do
escoamento superficial, dos níveis de erosão e de poluição das águas do escoamento superficial,
visando menores investimentos para a mitigação de impactos a jusante e, principalmente,
proporcionando a integração com as questões intrínsecas ao uso racional do espaço urbano.
As principais medidas de controle do escoamento pluvial funcionam de acordo com três
princípios: armazenamento, infiltração e canalização, onde o armazenamento promove o
amortecimento do escoamento reduzindo a vazão de pico; a infiltração busca restaurar a
infiltração natural perdida com a impermeabilização das superfícies provocadas pela
urbanização e, a canalização, apenas transfere para jusante o aumento da vazão, transferindo o
problema e não solucionando-o. Outro aspecto importante que é alterado pela urbanização, é a
evapotranspiração, a qual possui papel relevante no ciclo hidrológico e de grande influência na
agricultura, atuando como fator estabilizador dos solos, no regime de chuvas até na
regularização do regime hídrico de rios (BRANDÃO et al., 2006).
Assim, algumas técnicas são apresentadas, por compartilharem dos mesmos princípios
citados acima:
2.2.1 Trincheiras de infiltração
17
As trincheiras de infiltração são estruturas lineares, usadas no controle do escoamento
que têm o objetivo de captar, armazenar e infiltrar uma parcela do escoamento superficial
gerado numa determinada região, reduzindo o volume da água pluvial que chega até as galerias
e retardando os picos do hidrograma de cheias. Esse tipo de estrutura pode funcionar como
reservatório de amortecimento de cheias, proporcionando a redução dos volumes e das vazões
máximas (SOUZA, 2002). A Figuras 3 (a e b), ilustra um desenho esquemático de uma
trincheira de infiltração em funcionamento.
As trincheiras são basicamente constituídas por valas escavadas no solo e preenchidas
por materiais de diferentes granulometrias (brita, pedras de mão, tijolos quebrados, entre
outros). O material granular é depositado sob uma manta geotêxtil, cuja finalidade, além de
estrutural, é impedir a entrada de finos no dispositivo. Seu funcionamento pode ser efetuado
diretamente, deixando os volumes escoarem até a estrutura, ou através de tubulação perfurada
implantada ao longo de seu comprimento.
Segundo Duchene et al. (1994), as trincheiras de infiltração também funcionam para
estabilizar ou atenuar os contaminantes contidos no meio urbano, sendo inclusive utilizadas
para destino final de esgotos sanitários após sua passagem pelo tratamento primário. Da mesma
forma, quando sua utilização é para águas pluviais urbanas, a água deve passar por um pré-
tratamento, que remova as partículas maiores, evitando assim, a possível colmatação da
estrutura. Entre as medidas recomendadas, se encontram a combinação de áreas gramadas,
caixas de areia e reservatórios de detenção entre outras.
Figura 3 - Desenho esquemático de uma trincheira de infiltração em funcionamento.
Fonte: http://www.ricecreek.org
b a
18
O uso sistemático dos dispositivos de infiltração como elementos de drenagem urbana
no Brasil, ainda é muito restrita. Muitos trabalhos científicos trazem exemplos de aplicações
em regiões com características hidrológicas bastantes diferentes das encontradas no Brasil e por
isso, mais estudos são necessários sobre o emprego de tais tecnologias. A Figura 4 (a e b) ilustra
o uso de trincheiras de infiltração em meio residencial e urbano.
Figura 4 - a) Trincheira de infiltração em uma residência. b) Trincheira em um canteiro central
de rodovias.
Fonte: a) http://www.cob.org b) http://greatecology.com
2.2.2 Trincheiras de evapotranspiração ou “fossa bananeira”
A trincheira de evapotranspiração, fossa bananeira, ou até mesmo tanque de
evapotranspiração, é um sistema fechado de tratamento de esgoto doméstico, onde não há
infiltração do efluente no solo e onde as plantas realizam o processo de evapotranspiração desta
água (GALBIATI, 2009).
O dispositivo consiste em um tanque (trincheira) impermeabilizado, preenchido com
diferentes camadas de substrato e plantado com espécies vegetais de crescimento rápido e alta
demanda por água. Conforme Larsson (2003), essas estruturas proporcionam o tratamento e o
reaproveitamento dos nutrientes das águas negras (proveniente de vaso sanitário), para
produção de flores e frutas. Nesse tipo de estrutura o efluente passa por várias barreiras de
materiais porosos colonizados naturalmente por bactérias anaeróbias que pré-digerem o
a b
19
efluente, neutralizando os patógenos e mineralizando outros compostos em moléculas mais
"acessíveis", para a absorção das plantas que estão na terra logo acima. Após o processo
anaeróbio, parte da água é evaporada pelo solo e a outra transpirada pelas plantas.
As trincheiras de evapotranspiração ou fossas bananeira são consideradas alternativas
ecológicas para locais onde não existem redes de esgoto, lembrando que, uma fossa séptica
normal pode contaminar até dezesseis metros de raio. Outro ponto positivo é que a fossa
bananeira é capaz de fechar por completo o ciclo da água que é despejada em seu interior,
fazendo-a retornar ao ambiente externo em forma de vapor de água que se transformará
posteriormente em chuva. A utilização de sistemas plantados para tratamento de esgotos já é
comum em diversas partes do mundo (EPA, 2000, LARSSON, 2003).
Na Figura 5, são apresentados um exemplo esquemático e uma aplicação real de uma
fossa bananeira em estudo realizado por GALBIATI (2009).
2.2.3 Trincheiras mistas
A trincheira de infiltração e evapotranspiração é um sistema de tratamento de efluentes,
utilizados normalmente no controle dos efluentes pluviais. Ele combina as vantagens dos dois
sistemas, pois ajuda a recuperar a infiltração e evapotranspiração local e, ao mesmo tempo, trata
a parte qualitativa do efluente pluvial. Consiste de uma trincheira escavada no solo, muito
semelhante a uma trincheira de infiltração, porém agrega em sua construção o fato de ter
espécies vegetais plantadas em uma camada de terra localizada em sua parte superior.
Outra diferença é o fato de agregar vários materiais granulares diferentes tais como:
seixos, e resíduos de construção civil (tijolos e telhas) e não somente brita. Pode possuir também
um reservatório no seu interior semelhante ao de uma fossa bananeira, que pode ser construído
utilizando pneus usados, contribuindo para o reaproveitamento dos mesmos. A utilização de
pneus na criação do reservatório inferior tem como função aumentar o volume de vazios, ao
mesmo tempo servindo como uma espécie de câmara anaeróbia, retendo água para as plantas e
auxiliando na remoção dos poluentes. Deve-se ressaltar que, nem todas as trincheiras mistas
possuem um reservatório interior e que, algumas apresentam esse reservatório feito com tijolos
revestidos por argamassa. Nesse tipo de estrutura, normalmente o efluente infiltra de maneira
natural, no caso da água da chuva e escoamento superficial.
As trincheiras de infiltração e evapotranspiração aliadas em um único sistema podem
desenvolver um papel muito importante no que se diz respeito à proteção dos recursos hídricos,
20
podendo ser eficaz, na infiltração de água no solo, tratamento dos poluentes, recarga de
aquíferos, controle de inundações, ajudando na proteção das áreas de recarga e canais.
Em países mais desenvolvidos, a trincheira mista (infiltração evapotranspiração) é
popularmente chamada de rain garden (jardim de chuva), e em algumas cidades dos Estados
Unidos são os próprios moradores que realizam a manutenção e cuidam dos jardins de chuva.
A Figura 6 a, ilustra o desenho esquemático de um jardim de chuva. Enquanto na Figura
6 b, é apresentado um exemplo de rain garden (jardins de chuva) instalado junto à via pública.
Figura 5 - Exemplo esquemático e aplicação de uma fossa bananeira.
Fonte: Modificado GALBIATI (2009).
Figura 6 - a) Desenho esquemático de um jardim de chuva. b) Jardim de chuva instalado
próximo à rodovia.
21
Fonte: a) Scioto Gardens b) EPA (United States Environmental Protection Agency).
2.2.4 Sistema de biorretenção
A biorretenção começou a ser aplicada como um método de drenagem sustentável, no
início dos anos 90, no Condado de Prince George, Maryland (EUA), no Departamento de
Recursos Ambientais, isto é, o Prince George’s County Department of Environmental
Resources (PGDER, 2007).
A biorretenção (Figura 7 e Figura 8) é uma prática de gestão e de tratamento do
escoamento de águas pluviais pela utilização de um solo condicionado à plantação e a materiais
para filtrar o escoamento armazenado dentro de uma depressão rasa (SOUZA, 2005). Consiste
em uma depressão rasa com solo preparado para o plantio de uma diversidade de espécies,
combinando filtragem física e adsorção por processos biológicos, estimulando a interceptação,
infiltração, deposição de partículas e sólidos suspensos, evaporação, absorção, transpiração,
evapotranspiração, assimilação de poluentes, nitrificação, desnitrificação, volatização,
atenuação termal, degradação de componentes químicos e decomposição (SOUZA, 2005).
Figura 7 - Perfil de uma biorretenção típica.
a b
22
Fonte: PGDER, 2007.
Segundo o Prince George’s County Department of Environmental Resources (PGDER)
(1993) o escoamento passa primeiro sobre ou através de uma camada de grama e leito de areia,
o que diminui a velocidade do escoamento, distribuindo-se uniformemente ao longo do
comprimento da área de acumulação de água, que consiste em uma camada de superfície
orgânica e/ou de cobertura do solo e da plantação no solo subjacente. A área de acumulação é
uma área rebaixada, a água fica acumulada a uma profundidade de 15 centímetros e
gradualmente infiltra para a área de biorretenção ou evapotranspira. Ao contrário de várias
outras práticas que controlam apenas as vazões de pico, a biorretenção é projetada para manter
ou se aproximar ao máximo das condições hidrológicas pré-existentes (EPA, 2000).
Figura 8 - Aplicação de uma biorretenção.
23
Fonte: LID, 2010.
A utilização desta estrutura além de fornecer o controle da quantidade e qualidade do
escoamento, acrescenta diversidade na paisagem do ambiente. Por outro lado, de acordo com
PGDER (2007) apesar das vantagens, também existem algumas desvantagens. Por exemplo, a
construção em regiões onde o nível do lençol freático se localiza próximo à superfície, pode
causar a contaminação do mesmo. Outro ponto negativo é a possibilidade de que ocorra a
colmatação da estrutura, provocada pelo acúmulo de sedimentos finos no fundo e nas paredes
da biorretenção.
Ao interceptar o escoamento em áreas perto da fonte, além de benefícios ao meio
ambiente existe uma redução de custos, pois os valores aplicados na infraestrutura de drenagem
de águas pluviais podem ser reduzidos, resultando em uma economia significativa de custos de
instalação. Por exemplo, no edifício do Escritório Médico no Condado de Prince George,
Maryland, Estados Unidos da América, a implantação de uma biorretenção reduziu a
quantidade da rede de drenagem convencional necessária, de 800 para 230 metros, o que
resultou em uma economia de custo de 24 mil dólares ou 50% do custo de drenagem geral ao
local (PGDER, 1993).
As biorretenções são menos dispendiosas do que os sistemas estruturais tradicionais de
transporte de águas pluviais. Construção de uma biorretenção no County de Prince George,
Maryland é entre US $ 5.000 e US $ 10.000 por acre drenado (0,4ha), dependendo do tipo de
solo (WEINSTEIN, 2000). Sendo assim, uma alternativa econômica e ambientalmente eficaz
para proporcionar tratamento e controle de escoamento de águas pluviais.
24
2.3 PROPRIEDADES FÍSICAS DO SOLO
2.3.1 Porosidade do solo (Pt)
O espaço do solo não ocupado por sólidos e ocupado pela água e ar compõem o espaço
poroso, definido como sendo a proporção entre o volume de poros e o volume total de um solo.
É inversamente proporcional à densidade do solo (Ds) e de grande importância direta para o
crescimento de raízes e movimento de ar, água e solutos no solo. A textura e a estrutura dos
solos explicam em grande parte o tipo, tamanho, quantidade e continuidade dos poros
(REICHERT et al., 2003).
Os tipos de poros estão associados à sua forma, que por sua vez tem relação direta com
sua origem. O tipo de poros mais característico são os de origem biológica, que são
arredondados e formados por morte e decomposição de raízes ou como resultado da atividade
de animais ou insetos do solo, como minhocas, térmitas, etc. Outro tipo de poros apresenta
forma irregular e de fenda formados por vários processos, tipo umedecimento e secagem,
pressão, etc. Poros arredondados tendem a ser mais contínuos e de direção predominante normal
a superfície, ao contrário das fendas no solo (REICHERT et al., 2009).
A classificação mais usual da porosidade refere-se à sua distribuição de tamanho. A
mais usual é a classificação da porosidade em duas classes: micro e macroporosidade. A
microporosidade é uma classe de tamanho de poros que, após ser saturada em água, a retém
contra a gravidade. Os macroporos, ao contrário, após serem saturados em água não a retém,
ou são esvaziados pela ação da gravidade. A funcionalidade desses poros fica evidente quando
se considera que os microporos são os responsáveis pela retenção e armazenamento da água no
solo e os macroporos responsáveis pela aeração e pela maior contribuição na infiltração de água
no solo (REICHERT et al., 2007).
A separação da porosidade total em micro e macroporos é feita em laboratório,
drenando-se a água dos macroporos usando uma sucção leve (-6kPa) em mesa de tensão ou
coluna de areia e medindo-se o volume de água que permanece na amostra, que é igual ao
volume de microporos. Conhecendo-se a Pt, calcula-se a macroporosidade por diferença.
Usando-se equação fundamental da capilaridade, o tamanho equivalente de poro à sucção de 6
kPa é de 50 µm, sendo então o tamanho aproximado ao limite entre micro e macroporos. Em
solos arenosos há predominância de macroporos, enquanto em solos argilosos a tendência é
predominar microporos (REINERT et al., 2008).
25
Nesse aspecto, a origem do tamanho de poros relaciona-se ao tamanho de partículas e
são considerados de natureza textural ou porosidade textural. Quando as partículas se
organizam em agregados, há a criação de poros no solo, geralmente poros grandes entre
agregados, sendo considerados porosidade estrutural. Esta última é especialmente importante
em solos argilosos onde os macroporos são formados como conseqüência da estruturação
(REINERT et al., 2008).
A aeração dos solos refere-se à habilidade de um solo atender a demanda respiratório
da vida biológica do solo. Para isso, há necessidade de contínua troca de oxigênio e CO2 entre
a atmosfera e o solo e, para que isso ocorra, é de grande importância a presença de macroporos.
Normalmente, considera-se que o espaço aéreo de 10 % de macroporos é suficiente para arejar
o solo e satisfazer a demanda respiratório no solo (REICHERT et al., 2009).
2.3.2 Retenção da água no solo
A água chega no solo através da chuva, infiltra, preenche a capacidade de
armazenamento no solo, é conduzida pelo solo para camadas mais profundas e alimenta o lençol
freático e aquíferos. A fração que não penetra no solo, escoa alimentando diretamente lagos,
rios e oceano. A fração armazenada é em parte disponível para as plantas, sendo absorvida e
transpirada ao mesmo tempo e evapora diretamente do solo para a atmosfera (REICHERT et
al., 2007).
A água na forma líquida apresenta uma série de propriedades de fundamental
importância em seu comportamento no solo. A polaridade, pontes de hidrogênio e tensão
superficial da água fazem com que a água em sistemas porosos atinja estado de menor energia
livre e seja retida contra a gravidade, especialmente por capilaridade e também por adsorção
(REICHERT et al., 2009).
A equação fundamental da capilaridade estabelece que a força de retenção da água é
inversamente proporcional ao diâmetro do capilar multiplicado por uma constante derivada das
condições locais (gravidade local, Dp, temperatura). Se considerarmos o sistema poroso do solo
como um sistema capilar e com determinada área superficial entenderemos que a água é retida
no solo devido aos dois mecanismos: capilaridade e adsorção. A força capilar explica a ascensão
da água em vasos ou no campo, de baixo para cima contra a gravidade e lateralmente quando a
água é adicionada num ponto e aumenta a medida que o tamanho de poro diminui (REICHERT
et al., 2003).
26
A medida que o solo seca diminui o volume de água retido até que a lâmina de água fica
restrita à superfície das partículas, retida por efeito eletrostático ou por adesão. Nestes dois
processos de retenção, o maior volume de água e o mais disponível é retido por efeito capilar e
o volume menor e fortemente retido no solo é retido por adsorção. A textura e a estrutura do
solo que definem a área superficial e a arquitetura do sistema poroso são os principais fatores
associados ao armazenamento e disponibilidade da água nos solos, assim como, com a
habilidade dos solos de deixar passar água na sua matriz para camadas profundas do perfil do
solo e da camada terrestre (REICHERT et al., 2009).
A quantidade de água retida por unidade de massa de sólido é definida como umidade
gravimétrica (Ug) e por unidade de volume do solo (Vt) é definida como umidade volumétrica
(Uv ou θ). Ambas podem ser expressas em termos unitários ou percentuais. A medida da
umidade é importante e de fácil execução, porém para a medição da Uv necessita-se de coletar
amostra com volume conhecido e estrutura preservada. Como a umidade do solo é muito
variável, o comum é medir-se a Ds e determinar a Ug, transformando-a em Uv multiplicando-
se pela Ds.
A quantidade de água retida é um importante parâmetro do solo, porém não informa sua
disponibilidade ou a sua força de retenção. O movimento de massas na natureza se dá de pontos
de energia livre mais altos para pontos de energia mais baixa, e como no solo o movimento de
água é pequena a energia considerada é a potencial. Modernamente, no solo estipulou-se medir
o quanto de trabalho deve ser realizado numa quantidade de água para se deslocar de um dado
estado ao estado de referência. Três forças definem o total da energia livre da água: 1) osmótica;
2) gravitacional e; 3) forças originadas pela matriz do solo. No solo as concentrações de sais
tendem a se igualar por difusão, sendo a diferença de energia devido a forças osmóticas,
predominantes no domínio solo-raiz, influindo pouco no movimento e retenção da água. Na
gravidade a energia potencial toma conotação de energia de posição dentro do campo
gravitacional, importante na definição do movimento de água e deve ser computado para
equacionamento de fluxo de água no solo. As forças originadas pela matriz do solo, através dos
fenômenos de adsorção e capilaridade, são as responsáveis pelo potencial matricial,
antigamente chamado de potencial capilar (REINERT et al., 2008).
O total de energia por unidade de volume de água é definido como sendo o potencial
total expresso em termos de pressão (kPa, bar, cm de coluna de Hg ou água). O principal
componente do potencial total em solos não saturados é o potencial matricial, responsável pela
retenção de água contra a ação da gravidade e por isso tem sinal negativo e é chamado de tensão
27
da água no solo. Pela equação da capilaridade temos que, quanto menor o tamanho dos poros
maior a força capilar e maior tem que ser a força para extrair a água de dentro destes capilares.
Deste modo um solo saturado ao secar, os poros maiores são esvaziados primeiro e a
medida que a umidade do solo vai reduzindo, a energia livre é menor e a água vai ficando mais
fortemente retida. Assim na mesma posição gravitacional e no mesmo solo ou horizonte a água
se desloca de pontos mais úmidos para mais secos, no entanto, quando a posição gravitacional
não é a mesma não necessariamente a água se move de pontos mais úmidos para mais secos.
Em laboratório constrói-se curvas relacionando umidade do solo e potencial matricial
denominando-as de curva de retenção de água no solo ou curva característica de água no solo
(REICHERT et al., 2007).
Um solo saturado apresenta toda sua porosidade cheia de água, que após drenado em
condições naturais, os macroporos são drenados e os microporos ficam preenchidos com água.
Neste estado o movimento descendente é pequeno e tradicionalmente considera-se que o solo
apresenta a sua máxima capacidade de armazenamento de água contra a gravidade e considera-
se a umidade deste estado como sendo a capacidade de campo (CC). O potencial matricial da
água no solo encontra-se na faixa de -10 a -33 kPa, dependendo da textura e estruturação do
solo.
Ao contrário, a umidade onde as plantas murcham permanentemente é chamada de
ponto de murcha permanente (PMP) e apresenta potencial matricial em torno de –1500 kPa. A
diferença de umidade entre a CC e PMP nos indica a faixa de água disponível de um solo, que
pode ser dada em termos percentuais ou em lâmina de água. Esta última é uma excelente
indicadora da habilidade de um solo reter água a ser utilizada pelas plantas. A textura, matéria
orgânica e a agregação são os principais fatores que afetam a disponibilidade de água para as
plantas (REINERT et al., 2008).
2.3.3 Capacidade de Troca de Cátions – CTC
A CTC é a medida da capacidade do solo em adsorver cátions e a posterior reação de
troca daqueles adsorvidos com os da solução do solo. Este fenômeno é responsável pela
retenção de nutrientes como cálcio, magnésio e potássio, que ficam adsorvidos nas cargas
negativas dos coloides minerais e orgânicos dos solos (OLIVEIRA FILHO et al., 1987), e são
liberados para a solução do solo para serem utilizados pelas plantas.
28
A CTC expressa a quantidade de cátions que o solo pode reter na forma de complexos
de esfera-externa, que são formados quando há interposição de pelo menos uma molécula de
água entre o grupo funcional de superfície e o íon ou molécula da solução do solo (MEURER
et al., 2004). Os cátions adsorvidos nas superfícies negativas da fase sólida do solo, na forma
de complexos de esfera-externa, por estarem ligados a essas superfícies por ligações
eletrostáticas, podem ser deslocados dos sítios de adsorção por outros cátions presentes na
solução do solo.
Podem também passar, rapidamente, da fase sólida para a solução do solo, para repor
íons nutrientes que são absorvidos pelas plantas ou que percolam no perfil do solo (MEURER
et al., 2004). Essas reações são rápidas, reversíveis, estequiométricas e existe uma seletividade
(preferência) de um íon sobre outro na superfície carregada, o que depende da valência, raio de
hidratação e concentração do íon na solução do solo. Íons de menor raio de hidratação, maior
valência, e maior concentração competem preferencialmente pelos sítios de adsorção nos solos
(MEURER et al., 2004).
Solos possuem diferentes CTC’s de acordo com o tipo de argila predominante e o teor
de matéria orgânica, uma vez que tais constituintes são os principais responsáveis pela geração
de carga negativa no solo, elevando a CTC do mesmo com o aumento do pH (HUGHES, 1981).
É um parâmetro importante em locais contaminados por metais pesados, uma vez que tais
metais podem substituir íons trocáveis adsorvidos e ficarem retidos nos complexos de troca
(argila e matéria orgânica) do solo (BOULDING, 1994). Essa retenção pode atenuar a migração
de metais do solo para águas superficiais e subterrâneas (MCBRIDE, 1994).
2.4 BIOFILME
O biofilme, complexo ecossistema microbiano, resulta da agregação de microrganismos
e seus produtos metabólicos aderidos a uma superfície (interface). No tratamento anaeróbio de
esgotos, por exemplo, o biofilme importante é o que se forma na interface água-sólido, como
nos filtros anaeróbios (CAMPOS, DIAS, 1989)
A agregação de microrganismos em biofilme propicia-lhes melhores condições de
sobrevivência, porque agregados resistem melhor às agressões ambientais (lavagem,
cisalhamento, substâncias tóxicas e predadores) e também porque, devido à maior proximidade
entre os microrganismos, facilita a transferência de massa e outras trocas simbióticas, ou
sintróficas, inclusive transferência de hidrogênio entre espécies (CAMPOS, 1994).
29
As células bacterianas organizadas no biofilme estão envoltas em uma matriz de
exopolissacarídeos, proteínas, sais e material celular em solução aquosa. A aderência a uma
superfície é o primeiro passo essencial para o desenvolvimento do biofilme, os quais podem ser
formados por populações desenvolvidas a partir de uma única, ou de múltiplas espécies de
micro-organismos, podendo ser encontrados em uma variedade de superfícies bióticas e/ou
abióticas. Desta maneira, muitos autores definem biofilmes como associações de
microrganismos e de seus produtos extracelulares, que se encontram aderidos a superfícies
bióticas ou abióticas (CAMPOS, 1990).
As bactérias têm grande capacidade de aderir à superfícies, inertes ou não, devido as
características de suas estruturas superficiais, à produção de substâncias extracelulares
fixadoras (glicocálix) e a suas pequenas dimensões, que evitam o arraste hidráulico e o
cisalhamento e permitem que elas aproveitem a rugosidade da superfície para aderência.
Quando populações de bactérias aderem a uma superfície, produzem material polimérico
extracelular e formam uma camada gelatinosa que incorpora quantidades variáveis de
substratos, produtos intermediários, resíduos metabólicos e material inerte, conhecida como
biofilme. As bactérias do biofilme estabelecem inter-relações simbióticas que as tornam mais
eficientes para bioconversão de substratos complexos.
No início da formação do biofilme, são fatores importantes a concentração de nutrientes
disponível, a atividade metabólica dos organismos e a natureza da superfície, mas após os
primeiros momentos a natureza da superfície perde a importância em face da anulação
da rugosidade pela superposição de camadas de material polimérico (RICKARD et al., 2003).
O processo de instalação e formação inicial do biofilme (colonização) pode ser
explicitado em várias fases: a) inicialmente é formado um filme de acondicionamento da
superfície pela adsorção de moléculas orgânicas, geralmente proteínas; b) a seguir, ocorre a
adsorção reversível de células à superfície que foi preparada anteriormente; c) depois das fases
anteriores, cuja duração é de apenas alguns minutos, as células já podem começar a aderir às
superfícies, agora de forma irreversível, através de materiais poliméricos extracelulares,
principalmente polissacarídeos (RICKARD et al., 2003).
Um biofilme muito espesso não apresenta grandes vantagens, apesar da acumulação de
biomassa em camadas. A atividade biológica e a disponibilidade de substratos diminuem em
função da penetração no biofilme, devido às limitações de difusão, e as mais altas taxas de
remoção de substrato ocorrem em uma fina camada, mas muito ativa, na superfície.
O crescimento e a espessura da camada do biofilme aderido a uma superfície dependem
da atividade metabólica das bactérias (velocidade de crescimento) e da perda por cisalhamento
30
e arraste, decorrentes das condições hidrodinâmicas no reator. Para uma maior eficiência, as
condições hidrodinâmicas devem ser tais que não prejudiquem a formação suficiente do
biofilme, mas que permitam a sua renovação mediante a remoção de biomassa pouco ativa e
resíduos (CAMPOS, 1990).
Figura 9 - Desenvolvimento de um biofilme. (a) Colonização primária de um substrato; (b)
crescimento, divisão celular e produção do exopolissacarídeo (EPS), com o desenvolvimento
de microcolônias; (c) coadesão de células individuais, de células coagregadas e grupos de
células idênticas, originando um biofilme jovem, de múltiplas espécies; (d) maturação e
formação de mosaicos clonais no biofilme maduro.
Fonte: Adaptado de Rickard et al., 2003.
O tamanho das partículas a serem biodegradadas também influi muito no desempenho
do biofilme. Partículas de tamanho inferior a 1,0 µm são removidas por difusão e interceptação
e partículas maiores que 10 a 50 µm são removidas por sedimentação e incorporação
(CAMPOS, 1994).
3 MATERIAIS E MÉTODOS
31
Com o objetivo de conhecer seu funcionamento, um dispositivo de biorretenção
experimental foi instalado na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), em Santa Maria-
RS, atrás do Centro de Tecnologia, conforme Figura 10 e 11.
Figura 10 - Localização do município de Santa Maria.
Fonte: Google Maps
Figura 11 - Localização da trincheira no campus da UFSM.
Fonte: Google Maps
32
A trincheira mista foi construída em material transparente para possibilitar o
acompanhamento de todo o seu funcionamento, desde o crescimento das raízes até a
compactação das camadas de solo. O material escolhido foi o acrílico com 1cm de espessura
com reforço nas juntas das faces. O dispositivo foi construído com volume de 1m³ com redução
das camadas em escala considerando uma trincheira mista soterrada, também construída na
Universidade Federal de Santa Maria (UFSM).
A montagem das camadas da trincheira foi realizada no dia 28 de junho de 2012, com
a aquisição da estrutura e teste hidrostático no recebimento da mesma. Com volume e área úteis
conhecidos, foi dado início ao processo de construção propriamente dito, onde foram alinhados
6 (seis) pneus com altura de aproximadamente 42 cm para formar a câmara anaeróbica, entre
eles foi colocado um tubo PVC para posteriores coletas de materiais.
Após, foram colocadas as camadas na seguinte sequência: cascalho misto em torno dos
pneus, manta geotêxtil com área de 1m², 10 cm de brita N°2, 10 cm de brita N°1, manta
geotêxtil, 10 cm de areia e, por fim, 30 cm de solo (dividida em 15 cm do solo local onde a
trincheira soterrada está instalada e 5 cm de um solo rico em matéria orgânica).
Após colocação das camadas foram plantadas 4 bananeiras nanicas, grama esmeralda e
dois tensiômentros, para o acompanhamento da umidade das duas primeiras camadas. Para
finalizar a construção e evitar a entrada de luz e melhor representar o ambiente da trincheira
soterrada, foi colocado tecido blackout em três face e, apenas em uma face foi permitida a
entrada de luz livre (Figura 12).
Figura 12 - Montagem da trincheira.
33
Fonte: Autor
Durante 3 meses, o protótipo foi exposto a água proveniente do córrego Lagoão D’ouro,
dentro dos limites da própria UFSM, para investigar sua eficácia no tratamento de efluentes.
Após esse período, o dispositivo recebeu somente as precipitações anuais diretas, sem nenhum
tipo de manutenção. No dia 23 de outubro de 2017, após 5 anos da sua montagem, foi realizado
um ensaio destrutivo no dispositivo para a coleta de material e posterior avaliação dos diferentes
parâmetros físicos, conforme descrito abaixo.
3.1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO SOLO
As técnicas utilizadas para avaliação das propriedades físicas do solo foram realizadas
pelo Laboratório de Física dos Solos, através de uma parceria entre o Departamento de
Engenharia Sanitária e Ambiental e o Departamento de Solos da UFSM.
3.1.1 Determinação da Densidade do Solo
a b
c
34
Para determinação da densidade do solo, utilizou-se o método do anel volumétrico
(MAV), o qual é considerado um método padrão para a avaliação da densidade do solo. Esse
método consiste na coleta de amostras de solo com estrutura indeformada através de um anel
de aço (cilíndrico metálico) de bordas cortantes e volume interno conhecido (EMBRAPA,
2011) (Figura 13). Inicialmente, determinou-se o volume do anel ou cilindro que continha a
amostra. Em seguida, pesou-se o conjunto e a quantidade de amostra. Em seguida, foram
colocados na estufa a 105ºC. Após 24 e 48 horas, retirou-se da estufa e depois de esfriar foi
realizada a pesagem. O resultado da densidade foi calculado utilizando-se a fórmula abaixo:
Densidade aparente (g /cm3) = a / b
a = peso da amostra seca a 105ºC (g)
b = volume do anel ou cilindro (cm3)
Figura 13 - Coleta de amostras de solo.
Fonte: Autor
3.1.2 Determinação da Microporosidade e Curva de Retenção para 1,6 E 10 kPa
A técnica foi realizada em coluna de areia num tubo de PVC com 0,25m de diâmetro e
1,2m de altura, com dispositivos de controle do nível da água e instrumentada com tensiômetros
35
desde a superfície até 1m, espaçados a 0,1m, conforme descrito detalhadamente por REINERT
e REICHERT (2006).
3.1.3 Curva de Retenção para 100 E 1.500 kPa
Com o objetivo de obter os valores de conteúdo de água no solo retido em potenciais
matriciais superiores aos determinados pelos extratores de placa porosa (ψm > 1.500 kPa),
utilizou-se o psicrômetro de termopar do modelo WP4-T Dewpoint Potential Meter (Decagon
Device, 2000). Para isso, foram utilizadas amostras de solo deformadas, totalizando quatro
repetições por solo. A amostra de solo foi inicialmente equilibrada ao conteúdo de água
correspondente ao potencial de 1.500 kPa, utilizando-se então a partir destas, subamostras de
solo úmido contendo aproximadamente 2 g, que foram colocadas em recipiente próprio do
aparelho e encaminhadas para dentro da câmara hermética de leitura. A determinação do
potencial matricial foi obtida pelo método do ponto de orvalho, ou seja, no equilíbrio do
conteúdo de água no interior da câmara com o potencial da água no solo (SCALON et al., 2002;
Decagon Device, 2000).
3.1.4 Determinação da Porosidade Total
A porosidade total corresponde ao volume de poros totais do solo ocupado por água e/ou
ar, e é calculada utilizando a medida do peso da amostra de solo após saturação e após a segunda
secagem em estufa, conforme equação abaixo. A medida é dada em porcentagem (%).
Porosidade total = a - b
a= peso da amostra após ser submetida a saturação
b= peso da amostra seca (g)
3.1.5 Determinação da Macroporosidade
O valor da macroporosidade é obtido pela diferença da porosidade total e da
microporosidade do solo, conforme equação abaixo. O valor da porosidade total não deve estar
em porcentagem nesse cálculo, portanto deve-se dividir por 100 o valor da porosidade total
antes de aplicar o cálculo da macroporosidade.
Macroporosidade = Porosidade total - Microporosidade
36
3.1.6 Determinação dos Metais Trocáveis
A metodologia utilizada para determinação de metais presentes nas diferentes camadas
do solo e no sedimento foi escolhida devido ser possível de realizar com os reagentes e
equipamentos disponíveis na UFSM. Foram coletadas amostras de solo em dois pontos
diferentes (T e Q) da estrutura e em três diferentes profundidades (1, 2 e 3), onde a primeira (1)
é de 0 a 5cm, a segunda (2) de 5 a 10cm e a terceira (3) de 10 a 15 cm, conforme mostrado na
Figura 14 (a e b).
Figura 14 – Coleta de amostras de solo em dois pontos diferentes da estrutura (T e Q) e em três
diferentes profundidades 1, 2 e 3.
Fonte: Autor
Os diferentes horizontes foram coletados com espátula e armazenados em sacos
plásticos, normalizados pelo Laboratório de Análise Químicas do Solo da UFSM, conforme
Figura 15.
Figura 15 - Coleta e armazenamento das amostras de solo.
a b
37
Fonte: Autor
As biomassas, seca e verde, presentes na superfície da estrutura também foram coletadas
e levadas para a estufa. Depois de secas e pesadas, foi obtido o valor da biomassa (Figura 16 a,
b e c). A matéria orgânica presente nas diferentes profundidades do solo também foi analisada.
As amostras foram levadas a estufa a 105ºC e 500ºC. Após subtração dos valores, determinou-
se a carga orgânica total.
O pH ativo também foi determinado utilizando-se pHmetro.
A determinação da capacidade de troca catiônica (CTC) e metais disponíveis foi
realizada segundo metodologia descrita por Cotta et al. (2006).
Figura 16 – Coleta das biomassas seca e verde presentes na superfície da do dispositivo.
a b c
38
Fonte: Autor
3.2 AVALIAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DO BIOFILME
A coleta do biofilme foi realizada manualmente. O material coletado foi colocado em
becker de plástico com água destilada e enviado ao Laboratório de Microbiologia do Centro
Universitário Franciscano de Santa Maria (UNIFRA) (Figura 17). O material foi mantido a
temperatura de 4ºC até realização das análises descritas a seguir:
Figura 17 - Coleta do biofilme.
Fonte: Autor
3.2.1 Contraste com tinta nanquim em material fresco
Este método foi realizado com tinta nanquim devido sua menor densidade impedir a
penetração da tinta na matriz de exopolissacarídeos. Todavia, ao se espalhar no meio, a tinta
mostra qualquer bainha ou matriz mucilaginosa. Para realização da técnica foi necessário
remover o biofilme do substrato com auxílio de escova ou esponja embebida em água destilada.
Após, pingou-se uma gota do material sobre uma lâmina microscópica seguida de uma gota de
tinta nanquim sobre a amostra. Depois de cobrir com lamínula, a lâmina foi analisada ao
microscópio de luz em objetivas de 100x e as imagens obtidas foram registradas.
39
3.2.2 Coloração de Gram para visualizar bactérias
Esta técnica permite subdividir as bactérias em dois grandes grupos: as designadas
Gram+ (positivas), que têm a capacidade de reter o primeiro corante usado (cristal violeta), e
as Gram- (negativas) que não conseguem reter o primeiro corante, e por isso, adquirem a cor
do segundo corante, após a lavagem com solvente orgânico. Este fato deve-se à diferença na
espessura da camada de peptidoglicano existente na parede bacteriana. Assim, a camada espessa
das Gram+, depois de colapsar sob o efeito desidratante do etanol, não permite a saída do
corante, um complexo formado pelo cristal violeta e pelo iodo. Contrariamente, a camada fina
na membrana das bactérias Gram- mesmo colapsada não evita a saída do corante, ficando a
célula incolor, e por isso a necessidade de usar um segundo corante contrastante - a safranina.
Para realização da técnica, utilizou-se o método de Hucker para a coloração de Gram.
Inicialmente colocou-se uma gota do biofilme removido do substrato em uma lâmina
microscópica. Após secar, fixou-se o esfregaço com calor. O esfregaço foi então imerso no
reagente de coloração (cristal violeta), e depois de um minuto, lavou-se a lâmina com água. Em
seguida, foi adicionado uma ou duas gotas do corante mordente (iodo de Gram) e depois de um
minuto, a lâmina foi novamente lavada com água.
Na sequência, lavou-se a lâmina com solvente de descoloração (etanol/acetona) e, em
seguida, com água. Por fim, uma ou duas gotas de corante contrastante (safranina) foram
pingadas sobre o esfregaço e após um minuto, foi realizada a última lavagem com água. Depois
de secar ao ambiente, a lâmina foi observada ao microscópio utilizando a objetiva de imersão
(1000x) e as imagens foram registradas.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.2 POROSIDADE DO SOLO
A partir da análise física do solo (Tabela 1) verificou-se na amostra 58 (5 cm de
profundidade) uma menor densidade (0,81 g.cm-3) em relação a amostra coletada na segunda
profundidade 10 cm (255/944), cujas amostras foram coletadas do mesmo local, conforme é
mostrado na Figura 18. Resultado este influenciado pela porosidade (total e macro), com os
valores de 66,95 e 30,51 cm3.cm-3, respectivamente. Isto provavelmente ocorreu devido a
40
maior quantidade de resíduos vegetais sobre o solo que protege a superfície (Figura 19), o que
se assemelha a informação descrita por Paulino et al. (2013).
Figura 18 - Local de coleta das amostras.
Fonte: Autor
Tabela 1 - Características físicas do solo das amostras.
Figura 19 - Cobertura vegetal da trincheira.
Amostra Densidade Solo, g.cm-3 Porosidade, cm3.cm-3
Macro Micro Total
58 0.81 30.51 36.44 66.95
255/944 1.32 8.62 41.66 50.28
41
Fonte: Autor
Os valores da umidade volumétrica obtidos pela curva de retenção para as amostras 58
e 255/944 podem ser observados na Figura 20.
Em relação a capacidade de armazenamento de água no solo, foi constatado, quando
submetida a saturação, uma maior capacidade da primeira amostra (0,6695 cm3.cm-3) do que
da segunda (0,5028 cm3.cm-3), entretanto ao analisar os resultados do método da curva de
retenção a amostra 255/944 apresentou uma maior quantidade de umidade no solo, exceto sob
a tensão de sucção de 1 kPa (Figura 20), esta característica deve-se a sua maior composição de
micro poros.
Assim têm-se que a capacidade de retenção do solo é impactada pela porosidade e
densidade do solo, fator importantíssimo para manutenção da vida vegetal. Isso pode ser
explicado devido ao grande volume de raízes presentes na trincheira. As raízes atingiram todas
as camadas do solo, romperam o bidim e chegaram até o fundo da estrutura, instalando-se em
sua maior parte dentro dos pneus da câmara anaeróbia, conforme pode ser observado na Figura
21. Além disto, a presença da cobertura vegetal influenciou positivamente o desempenho da
trincheira, uma vez que as gramíneas possuem sistema radicular fasciculado capaz de formar
canais de infiltração e possibilitar o armazenamento de água (MARCHINI et al., 2015).
Figura 20 - Características físicas do solo das amostras – Umidade Volumétrica.
42
Figura 21 – Presença de raízes do dispositivo de biorretenção. a) Camadas iniciais no solo com
inúmeras raízes. b) Presença de raízes no RCC. c) Raízes presentes na camada de areia. d)
Raízes presentes no bidim. e) Raízes presentes no fundo da estrutura. f) Raízes acumulando-se
no interior dos pneus.
43
Fonte: Autor
4.2 METAIS TROCÁVEIS
44
Os resultados da análise dos metais trocáveis obtidos no estudo são mostrados nas
tabelas abaixo:
Tabela 2 - Valores obtidos para a Biomassa.
Estufa de ventilação, 65°C, 5 dias
Tabela 3 - Valores do pH ativo do solo.
Amostra pH ativo
T1 5,58
T2 5,41
T3 5,58
Q1 5,69
Q2 5,23
Q3 5,44
SED 7,48
Padrões de pH 4 e 7, 25°C
Tabela 4 - Valores da Carga Orgânica Total.
Amostra Peso a 105°C Peso a 500°C CO total (%)
T1 18,7099 18,4071 1,6183
T2 17,8994 17,6118 1,6067
T3 18,42 18,1221 1,6172
Q1 20,4997 20,1655 1,6302
Q2 19,0027 18,6987 1,5997
Q3 15,9092 15,6025 1,9278
SED 18,0705 17,8642 1,1416
Massa amostral: 3g; 3h -105° C; 5h - 500°C.
Biomassa
Seca 1240,22 g
Verde 411,75 g
45
Tabela 5 - Valores obtidos para a Capacidade de Troca Catiônica (cmol/kg)
Amostra pH CH3COOH 1M CMT(cmol/kg) Vol. de NaOH
0,001M (mL)
AT(cmol/kg) CTC(cmol/kg)
T1 2,26 15,84 1,1 0,22 16,06
T2 1,73 4,18 0,8 0,16 4,34
T3 1,73 4,18 0,7 0,14 4,32
Q1 2,27 16,06 0,9 0,18 16,24
Q2 1,91 8,14 0,7 0,14 8,28
Q3 1,67 2,86 0,6 0,12 2,98
SED 2,64 24,2 0,55 0,11 24,31
pH Solução CH3COOH 1,54; Granulometria de Análise: 63 µm
Legenda: 1 (0-5 cm); 2 (5-10 cm); 3 (10-15 cm); SED (Sedimento de Fundo)
Tabela 6 - Valores obtidos para Metais Biodisponíveis
Amostra Zn (mg/L) Cu (mg/L)
T1 1,343 0,188
T2 0,221 0,119
T3 0,167 0,118
Q1 1,083 0,107
Q2 0,403 0,139
Q3 0,397 0,118
SED 4,289 0,253
SED 4,302 0,269
BR* 0,037 0,039
* Branco analítico: valores finais já subtraídos
A modificação do pH afeta diretamente as características dos componentes minerais e
orgânicos da fase sólida cujas cargas são pH dependentes, o que determina a reatividade dos
seus grupos funcionais de superfície (MEURER et al., 2004). De um modo geral, a retenção de
cátions (metais pesados) e complexos aniônicos (fosfatos, nitratos, etc.) nos componentes do
solo será diretamente proporcional às concentrações de cargas negativas e positivas,
respectivamente; que são função direta do pH dos solos (MCBRIDE, 1994).
Os valores de pH ativo obtidos neste estudo para as três camadas de solo (0-5 cm, 0-10
cm 10-15 cm) obtiveram variação de 0,46 entre eles, estando na faixa de 5~6, configurando
solos ácidos. Embora desconheça-se o pH original do solo utilizado na estrutura, esses valores
são condizentes com os solos brasileiros que na maioria, apresentam média a alta acidez (pH
46
H2O <5,5) (EMBRAPA, 2013). Esse fenômeno pode ser atribuído a alta carga de matéria
orgânica desse horizonte ou ainda a dinâmica de dissociação do H+ conforme descrito por
Malavolta (1985). Segundo o autor, o processo é natural e multifacetado. A água lava as bases
do complexo de troca deixando íons H+ em seu lugar; com o abaixamento do pH+ a valores
muito baixos pode ocorrer a decomposição de minerais de argila e ocasionar o aparecimento de
Al trocável; a oxidação microbiana do N amoniacal conduz à liberação de íons H+; a raiz "troca"
H+ por cátions que a planta absorve mantendo o equilíbrio eletrostático; também a matéria
orgânica libera íons H+ no meio, através da dissociação dos seus grupos carboxílicos e
fenólicos.
Por sua vez, o sedimento de fundo (SED) apresentou pH destoante do grupo. Aferida
em 7,48, a amostra de fundo pode ter influência tanto da composição e degradação dos RCC,
que incluem carbonato de cálcio, quanto da ausência de intemperismo direto quando comparado
às camadas superficiais.
Com relação a CTC efetiva das amostras, como já esperado, o perfil de solo mais
superior (Q1 e T1) apresentou os maiores valores. A presença de alta carga orgânica em
superfície corroborada pelos 1,65 kg de massa seca a 65°, cor escurecida do solo e alto pH ativo
é sem dúvida um dos principias contribuintes para esse índice. De acordo com Silva et al.,
(2004) a matéria orgânica caracteriza-se por elevada reatividade em comparação com os
componentes minerais do solo, sendo capaz de interagir com íons e moléculas presentes na
solução do solo dentro de uma ampla faixa de pH. Sua estrutura composta por grupos funcionais
com insuficiência de elétrons (grupos funcionais de superfície), cuja capacidade de perder ou
receber íons H+ (dissociação ou protonação) é a responsável pela geração de cargas de
superfície da matéria orgânica. Ao contrário dos argilominerais, que podem apresentar cargas
permanentes ou pH-dependentes, a matéria orgânica apresenta somente cargas pH-dependentes
e predominantemente negativas na faixa de pH dos solos (pH 4-7) (SILVA et al., 2004).
Valores altos de CTC são bastante desejáveis tanto na agricultura quanto na área
ambiental para neutralização de poluentes no solo, pois permitem que as reações de sorção
ocorram de maneira plena. As cargas negativas geradas pela dissociação dos grupos funcionais
de superfície são balanceadas por cátions que se encontram na solução do solo. A matéria
orgânica possui elevada capacidade de adsorção de metais pesados, funcionando como uma
espécie de quelante capaz de complexar os cátions metálicos mediante os ligantes oxigênio e
nitrogênio presentes em sua estrutura e ricos em pares de elétrons (BOULDING, 1994;
SCHNITZER, 1995).
47
Todavia, a maior carga de catiônica foi evidenciada no sedimento de fundo.
Considerando que não há interferência direta da matéria orgânica nesse substrato, é possível
sugerir o carreamento de argilomenerais do tipo 2:1, altamente intemperizados e de alta
superfície específica para o fundo câmara. Conforme Odum (1984), os argilominerais
intemperizados possuem cátions fixados em sua superfície, entre as camadas e dentro da
estrutura cristalina que podem ser trocados via reações químicas por outros cátions em solução
aquosa sem que isso venha oferecer risco a estrutura cristalina do mineral. Os cátions trocáveis
mais comuns são Ca2+, Mg2+, Na+ e H+, e pequenas quantidade de K+ e Li+ em algumas
esmectitas.
A Tabela 6, que apresenta os valores de metais biodisponíveis, mostra que a maior
concentração de metais está associada aos perfis de CTC mais elevada. Isso se deve a
concentração dos elementos-traço na solução do solo e, consequentemente, sua
biodisponibilidade e mobilidade serem principalmente controladas por reações de adsorção e
dessorção na superfície dos coloides do solo (KABATA-PENDIAS, PENDIAS, 2001).
É difícil mensurar o grau de poluição da trincheira por não existirem valores de
referência para o estudo em questão. Haja vista, normalmente solos poluídos são
simultaneamente contaminados por vários elementos, e a competição entre eles pode
influenciar a sua mobilidade e biodisponibilidade. Além da competição, outros fatores – como
concentração do metal, pH, força iônica, CTC e os constituintes orgânicos e inorgânicos –
também contribuem para a sua retenção no solo (KABATA-PENDIAS, PENDIAS, 2001). A
ação combinada desses fatores resulta em maior ou menor impacto ambiental devido à presença
desses elementos nos solos.
4.3 COMPOSIÇÃO DO BIOFILME
A partir do ensaio destrutivo, pôde-se observar o desenvolvimento de uma fina camada
de biofilme na câmara anaeróbica, formada pelos pneus, nas faces do dispositivo, bem como
nos RCCs, conforme pode-se observar na Figura 22.
Figura 22 - Desenvolvimento de uma camada de biofilme em diferentes partes do dispositivo.
a) Presença de biofilme nas faces do dispositivo. b) Presença de biofilme nas faces do
dispositivo. c) RCCs com biofilme. d) Pneus da câmara anaeróbia com grande quantidade de
biofilme.
48
Fonte: Autor
A Figura 23 mostra a composição do biofilme que foi evidenciada pela técnica de
contraste com tinta nanquim. A partir das imagens é possível verificar a presença dos seguintes
grupos de micro-organismos: bactérias livres ou associadas em arranjos (diplococos),
cianobactérias filamentosas, clorofíceas e muitas algas do grupo das diatomáceas. Enquanto
que na Figura 24a, pode-se observar a presença de biofilme através da técnica de coloração de
Gram. A Figura 24b mostra a presença de diatomáceas.
49
Figura 23 - Evidência do biofilme pela técnica de contraste com tinta nanquim.
Fonte: Autor
Figura 24 - a) Presença de biofilme através da técnica de coloração de Gram. b) Presença de
diatomáceas.
Fonte: Autor
50
De acordo com Machado (2005), o acúmulo de biofilmes em superfícies trata-se de um
fenômeno que ocorre naturalmente em meios aquosos, sendo resultado da simultaneidade de
processos físicos, químicos e biológicos. A presença de biofilme nos pneus da câmara
anaeróbia, nas laterais de acrílico e no cascalho da trincheira em estudo corrobora com as
condições de desenvolvimento descritas por Flemming e Wingender (1999) relacionadas a
temperatura, pH, oxigênio dissolvido, composição do meio e pressão.
Segundo Pereira (2001), a formação da maioria dos biofilmes dá-se para valores de pH
próximos da neutralidade. Considerando os valores de pH aferidos no solo da trincheira e o pH
médio das chuvas de Santa Maria (RS), descrito por Hagemann et al., (2016), é possível que o
pH do meio esteja muito próximo das condições ideais, possibilitando o desenvolvimento do
biofilme. Além disso, a presença de biofilme na camada de cascalho pode ser explicada pela
rugosidade do material, uma vez que as cavidades de materiais rugosos permitirem maior
proteção das colônias, tornando-as menos susceptíveis às forças de atrito (MACHADO, 2005).
Na formação dos biofilmes, os microorganismos selecionados são produtos das
condições do meio (LI et al., 2009). No nosso estudo, foram evidenciados grupos de bactérias
livres ou associadas em arranjos (diplococos), cianobactérias filamentosas, clorofíceas e muitas
algas do grupo das diatomáceas. A presença de bactérias clorofíceas, as quais são micro-
organismos fotossintetizantes, pode ser explicada devido o dispositivo ter sido construído em
material transparente e, assim, permitir a entrada de luz nas quatro faces.
Segundo Chmielewski e Frank (2003), a presença de apêndices superficiais nos micro-
organismos indica o grau de desenvolvimento dos biofilmes. Nesse sentido, nossos resultados
mostram um alto grau de desenvolvimento do biofilme, uma vez que foi identificada a presença
de cianobactérias filamentosas. Além disso, alguns estudos mostram que as cianobactérias que
se desenvolvem no biofilme representam reserva de nutrientes para as plantas, além de agir na
incorporação de carbono orgânico e nitrogênio através da fotossíntese e da fixação de N2
(SUBASHCHANDRABOSE et al., 2013).
Dentre os organismos componentes de biofilmes, as diatomáceas usualmente
caracterizam-se como dominantes, juntamente às cianobactérias. A presença de diatomáceas no
biofilme está de acordo com os resultados de Zamalloa et al., (2013). O autor observou a
presença dessas algas na superfície do biofilme em um sistema combinado de tratamento
químico-biológico instalado em um telhado de uma residência. Além disso, essas algas têm alta
capacidade de secreção de mucilagem (ALMEIDA, 2014). Ao se movimentar, esses micro-
51
organismos excretam uma substância polimérica que serve de cimentante a colônia onde estão
inseridos, tendo um papel importante na ecologia de sedimentos, uma vez que elas podem ser
as principais espécies constituintes dos microfitobentos em vários ambientes (LOURENÇO,
2006). Dessa forma, a presença de bactérias livres ou associadas torna-se possível no meio.
A partir dos dados obtidos, é possível sugerir que a matéria orgânica presente na
estrutura, as condições de baixa turbulência do fluido percolante e o alto índices de vazios nas
camadas mais inferiores, proporcionando oxigênio e pressões adequadas, foram fatores
importantes para o desenvolvimento de biofilme. Esses resultados são bastante importantes do
ponto de vista ambiental, pois corroboram com a dinâmica ecossistêmica que se estabelece na
estrutura em questão.
5 CONCLUSÃO
Ao avaliar o funcionamento da estrutura de biorretenção, foi possível constatar sua
eficiência, uma vez que manteve a vida vegetal instalada por cinco anos, sem qualquer tipo de
manutenção. Suas camadas desempenharam os papéis esperados para cada uma delas: a camada
de areia reteve a sedimentação do solo, bem como proporcionou a retenção de matéria orgânica
na parte superior da estrutura; as mantas geotêxtis impediram a mistura dos diversos horizontes
e possibilitaram que as raízes pudessem acessar os mais diversos locais da estrutura; as camadas
de solo nutriram a vida vegetal instalada pelo tempo de funcionamento com poucas perdas
(somente a gramínea não resistiu); as britas e o cascalho, que armazenam os volumes
pluviométricos, possibilitaram a instalação do biofilme e formaram um local para que as raízes
pudessem buscar água.
A presença do biofilme pôde ser constatada em grande quantidade próxima as faces e
pneus, onde a água era retida por maior tempo. Pode-se observar também a presença de micro-
organismos diversos, bem como as bactérias cianofíceas, as quais estão presentes somente em
locais onde há luz solar. Tal fato pode ser explicado pois as quatro faces da estrutura
possibilitavam essa entrada de luz solar.
Através da técnica de nanquim e coloração de Gram, foi possível obter a composição
do biofilme, mostrando que a estrutura deu suporte e possibilitou a formação do mesmo.
Outro aspecto fundamental no estudo foi a porosidade das camadas de solo, pois era
necessário saber como a vida vegetal poderia ser nutrida somente com precipitações diretas,
bem como tentar explicar o motivo de, em nenhum momento, a estrutura ter extravasado mesmo
acumulando altos índices pluviométricos.
52
De acordo com os resultados, foi possível observar que as duas camadas de solo,
possuíam grande capacidade de armazenamento de água disponível. A grande presença de
raízes possibilitou a formação de micro e macroporos, bem como possibilitou que o solo não
compactasse, mantendo assim sua densidade e porosidade em bons níveis, dando o suporte
necessário a vida vegetal instalada.
Também se evidenciou a presença de metais como Cobre e Zinco, nas camadas de solo
e no sedimento da estrutura. Os níveis mais altos foram observados nas camadas de solo em
comparação com a outras camadas, devido à grande quantidade de matéria orgânica inerte que
a trincheira possuía em sua superfície. No sedimento foram observados os maiores valores de
CTC devido a carreação de finos intemperizados para o fundo, o pH alterado devido a
carbonatação do RCC presente no fundo ou até mesmo pela degradação dos pneus.
O estudo realizado mostra-se de extrema importância, pois foi possível realizar o
registro fotográfico de todas as etapas, desde a concepção até o ensaio destrutivo do dispositivo,
possibilitando a coleta de material com acurácia e o acompanhamento de aspectos
quali/quantitativos, que antes não era possível, devido as trincheiras serem soterradas.
53
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