Restauro de massas de água em processo de eutrofização: v ... · Lagoa das Sete Cidades (Região...

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ANTÓNIO GUERREIRO DE BRITO Restauro de massas de água em processo de eutrofização: velho problema novas perspectivas Agência Portuguesa do Ambiente 20 de Fevereiro de 2012 adding value to water resources

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ANTÓNIO GUERREIRO DE BRITO

Restauro de massas de água em

processo de eutrofização:

velho problema novas perspectivas

Agência Portuguesa do Ambiente 20 de Fevereiro de 2012

a d d i n g v a l u e t o

w a t e r r e s o u r c e s

Page 2: Restauro de massas de água em processo de eutrofização: v ... · Lagoa das Sete Cidades (Região Autónoma dos Açores) O processo de eutrofização resulta de uma pressão accionada

V I S Ã O Grupo de investigação que, pela aplicação de técnicas e ferramentas inovadoras, protege e adiciona valor aos recursos hídricos.

M I S S Ã O Disponibilizar conhecimento para a recuperação de recursos não renováveis e para a governação sustentável da água

a d i c i o n a r v a l o r a o s r e c u r s o s h í d r i c o s

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1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO Sinais do Antropocêntrico. Tecnologias regenerativas. .

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO.

Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo.

INDICE GERAL

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1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.1. Sinais do Antropocêntrico. Desafios e dilemas para uma mudança na gestão de recursos hídricos e nos serviços de água.

2011 | 1.8 mil milhões de classe média 2030 | + 3 mil milhões

MIL

MILHÕES

EM 2050 CIDADES

Fonte: (1)

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Pressões sobre a saúde humana Contaminação de origens e custos de tratamento

Pressões sobre os serviços dos ecossistemas Disfunções tróficas e perda de biodiversidade

Vulnerabilidade climática Distribuição assimétrica no espaço e no tempo: Seca • 40/ano | 53 milhões de

pessoas

Cheia e inundações • 100/ano | 500 milhões de

pessoas

Escassez de recursos naturais Recuperação de materiais não-renováveis e garantia da segurança do abastecimento European Innovation Partnership on Water, 2012: • Water and wastewater

treatment, including recovery of resources

Resolução do Parlamento Europeu (24.03.2012) • Uma Europa eficiente no uso

dos recursos (§52) 100% reutilização de P em

2020

Quantidade Economia ambiental Governação e Engenharia Qualidade

…O problema global da água não são dólares, inteligência ou, mesmo, a falta de infra-estruturas. É a visão e como a iremos atingir… Peter Gleick (Enviro 08)

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.1. Sinais do Antropocêntrico. Desafios e dilemas para uma mudança na gestão de recursos hídricos e nos serviços de água.

uma visão segmentada •no tratamento de águas

massas de água | água para consumo humano | águas residuais

•para a eficácia não para a eco-eficiência e integração

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restauro

restauro ecológico

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

Nepal Canadá por todo o mundo…

RECUPERAÇÃO DE FÓSFORO (P)

Carta de Baltimore: Visão 15 de Março de 2007

…novas tecnologias e instituições que, a diferentes níveis (local, cidade, bacia hidrográfica), aplicam sistemas desconcentrados, eficientes e sustentáveis para minimizar a utilização de recursos e maximizar a recuperação, promovendo sistemas hidrológicos regenerativos (adapt.)

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Estimativa dos fluxos globais de fósforo P (106t/ano)

Adaptado de: Elser JJ. Phosphorus: a limiting nutrient for humanity?, Curr Opin Biotechnol (2012), doi:10.1016/j.copbio.2012.03.001 Cordell, D., Drangert, J.O., White, S., (2009). The story of phosphorus: global food security and food for thought. Global Environ Change, 19: 292-305. Ott C., Rechberger H. (2012). The European phosphorus balance. Resources, Conservation and Recycling. 60, 159-172. Tunney, H., O. Carton, T. O’Donnell, and A. Fanning (1998). Phosphorus loss from soil to water. Teagasc, Ireland. End of Project Report ARMIS 4022.

agricultura consumo

hidrosfera

tratamento de efluentes

7 12.1

14

4.8

0.6 2.4

rochas fosfatadas

17.5

pecuária

fertilizantes e outras industrias

1.3

1.8

0.9

8

2.6

0.6

1.93

1.24

1 solos não-agrícolas 2 perdas agrícolas, solos não-agrícolas, atmosfera 3 perdas pós-colheitas e na cadeia alimentar 4 aterros e solos não-agrícolas

5.71 10.42

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

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mas também…

15

P 30.974

De acordo…

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

FÓSFORO

80% em Marrocos | China maior produtor em 2011 (mas taxa de exportação) |EUA 3º produtor |Não há na Europa. Escala 5/10 risco SGB;

Mercado de 21 mil milhões USD (2010) e preços voláteis: 2004-2009 com 62% de desvio padrão (3). Aumento de 800% em 2009, diminuiu com a crise, recupera desde 2011;

O ácido fosfórico, percursor do fosfato de amónio, não é produzido sinteticamente. A produção de fertilizante tem custos energéticos, requer 2.1 kW.h/kg;

A eutrofização dos ecossistemas é o melhor exemplo em como P é o substrato limitante.

P é finito - “reservas” estimadas entre 40 e 400 anos. O “P peak” já ocorreu e as reservas estão a ser consumidas a taxa superior à recuperação; P tem custos de mineração (P2O5) crescentes (94$/t. FOB

na mina USA, 2011) assim como os impactes ambientais;

P representa 1% do peso do corpo humano e é essencial à vida (e.g.: ADN, ARN, ATP). Em geral, é o elemento limitante de muitos processos biológicos.

P não tem substituto como fertilizante para produção alimentar (fosfato de amónio) e suplemento alimentar animal, as aplicações tendem a aumentar (e.g.: baterias eléctricas) a 2.5%/ano;

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< 1960 1987 2004

Lagoa das Sete Cidades (Região Autónoma dos Açores)

O processo de eutrofização resulta de uma pressão accionada por nutrientes (P e N), a qual promove o aumento da produção biológica em águas doces e estuarinas, induzindo impactes na estrutura trófica, na biodiversidade e na qualidade da água.

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

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11 massas de água estão em estado eutrófico, 9 mesotrófico e 4 oligotrófico nas 24 massas de água na tipologia lagos na Região Autónoma dos Açores. PGRH dos Açores, 2012

géneros Anabaena, Aphanizonenon, Nodularia, Microcystis

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

Lagoa das Furnas (Região Autónoma dos Açores)

29 de Outubro de 2012

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….nos Estados Unidos, em 1999, a eutrofização era o maior problema de qualidade da água, afectando cerca de 50% dos lagos e, também, o problema mais vulgar nos estuários (Smith et al., 1999). …no último relatório do Comité Internacional de Lagos, em 2012, todos os 217 lagos revelam um aumento no nível do estado trófico ao longo dos últimos 50 anos (UNEP, 2012).

…em Portugal, em 2001: …verificou-se que existem informações para apenas 55% das albufeiras de maiores dimensões e entre as com estado trófico conhecido, apenas 4% se revelaram oligotróficas, sendo 28% mesotróficas e 23% eutróficas (PNA).

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

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Lagoa das Sete-Cidades

0

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6

8

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2001 2002 2003 2004 2005 2006

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-1)

Lagoa Azul Lagoa Verde

Lagoa das Furnas

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C-LR

eq

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.L-1)

CIANOTOXINAS

Santos M, Pacheco D, Santana F, Muelle H (2005). Cyanobacteria blooms in Sete Cidades lake. Alg. Studies, 117, 393-406.

Q U A L I D A D E D A Á G U A | S A Ú D E P Ú B L I C A

- Efeitos tóxicos (hepáticos, neurológicos, dermatológicos); - Problemas crónicos perante doses baixas; - Casos de doença humana referidos desde 1980: EUA, Austrália, Reino Unido, Brasil (50 mortes em 1996), Africa;

1. TECNOLOGIAS REGENERATIVAS: IMPULSO, CONCEITO E PROBLEMÁTICA DO FÓSFORO 1.2. Tecnologias regenerativas. A problemática do fósforo - dissipação do recurso, eutrofização das massas de água e saúde pública.

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Forças motrizes

• Actividades económicas - Industria, agricultura

• Alterações climáticas (temperatura, caudais)

Pressões

• Fontes pontuais (descargas de sistemas de tratamento domésticos e industriais)

• Fontes difusas (lixiviação de fertilizantes)

Estado

• Classificação DQA

• Classificação Estado trófico

-

Respostas

Medidas externas

Medidas internas

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.1. Introdução Avaliação ambiental e integração de conhecimentos para o restauro de ecossistemas aquáticos

Impactes

Produção biológica presença de cianotoxinas, transparência, paisagem, tratamento de água

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2. Aprofundar o conhecimento dos processos biogeoquímicos nos sedimentos com relevo para a mobilidade de fósforo impacte significativo da mobilidade de fósforo no restauro dos ecossistemas

1. Construir cenários prospectivos de qualidade da água para definir objectivos e apoiar estratégia para a resposta com ME/MI

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.1. Introdução Avaliação ambiental e integração de conhecimentos para o restauro de ecossistemas aquáticos

3. Desenvolver processos de remoção/imobilização e captura de fósforo

1. Como antecipamos o grau de necessidade de implementação de Medidas para a redução das cargas externa e internas de fósforo?

2. As Medidas Internas serão realmente necessárias para minimizar a eutrofização e capturar fósforo?

3. Como melhorar a remoção e a recuperação de fósforo?

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Não estratificado Estratificado

Entradas

Saídas

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Modelação e cenarização prospectiva da qualidade da água.

P – fósforo PP – fósforo particulado SRP – fósforo solúvel reactivo DOP – fósforo orgânico dissolvido res – ressuspensão sed – sedimentação Int_L – liquido intersticial

Balanço ao fósforo. Modelo de qualidade da água para apoio à decisão

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2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Modelação e cenarização prospectiva da qualidade da água.

13 variáveis de estado 15 processos

Processos biogeoquímicos considerados

MODELO DE QUALIDADE DA ÁGUA, bio4Lake

AQUASIM - descrição de processos biogeoquímicos com uma estrutura aberta - adicionados/retirados processos e/ou variáveis - em condições estacionárias ou transientes,

Variáveis de entrada do modelo

Valor dos parâmetros calibrados

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Cenários (AH-10 anos) Estado Ecológico

Total P (mg/L) Chl- a (mg/L)

Presente (ano zero) Bom Pobre

Mantendo condições actuais (▬) (AH) Moderado Mau

Redução de 50% da MO sedimentos (▬) (AH)

Moderado Mau

Redução de 50% de entradas externas P (▬) (AH)

Moderado/Bom Mau

Redução de 50% de entradas externas P + redução de 50% da MO sedimentos (▬) (AH)

Bom Mau/Pobre

Classificação de acordo com Søndergaard et al., 2005

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P T

ota

l / m

gP/L

Tempo / y

Valor de P na massa de água

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Modelação e cenarização prospectiva da qualidade da água.

Lagoa das Sete Cidades

Martins G., Ribeiro D., Pacheco D., Cruz J. V., Cunha R., Gonçalves V., Nogueira R., Brito A.G. (2008). Prospective scenarios for water quality and ecological status in Lake Sete Cidades (Portugal): the integration of mathematical modelling in decision processes. Applied Geochemistry, 23 (8).

HISTERESE | A redução das fontes externas de fósforo é difícil mas, mesmo quando ocorre, o restauro é lento: a principal razão é a transporte para a coluna de água do fósforo adsorvido nos sedimentos (e.g.: Schindler, 2012)

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Mobilidade de fósforo na interface água-sedimentos:

método extracção sequencial de fósforo (PSE)

i. P lábil

ii. P ligado a hidróxidos de Fe e Mn

iii. P ligado a óxidos de Al | P orgânico extraível com base

iv. P ligado a Ca | P orgânico extraível com ácido

v. P refractário (P orgânico residual)

NH4Cl

Bicarbonato-Ditionite BD), (40◦C. 0.1 M)

NaOH (25◦C, 1 M)

HCl (0.5 M)

NaOH (85◦C, 1 M)

P lábil

Fe-P + Mn-P

Al -P

Ca-P

P refractário

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Perfis geoquímicos e especiação de fósforo. Avaliação da carga potencial máxima de solubilização.

SRP – fósforo solúvel reactivo (centrifugação – filtração)

TP – fósforo total (digestão ácida, 250◦C)

NRP – fósforo não reactivo (TP-SRP)

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Especiação do fósforo presente nos sedimentos

Furnas (eutrófico)

Sete Cidades (eutrófico)

Fogo (oligotrófico)

P - lábil (NH4Cl) 1 11 2

P - hidróxidos Fe/Mn (BD) 47 36 19

P - óxidos Al (NaOH, 25ºC) 20 28 15

P - Cálcio (HCl) 11 9 16

P - refractário/residual (NaOH) 21 17 48

Ribeiro D.C., Martins G., Nogueira R., Cruz J.V., Brito A.G. (2008). Phosphorus fractionation in volcanic lake sediments (Azores - Portugal). Chemosphere, 70, 1256–1263.

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Perfis geoquímicos e especiação de fósforo. Avaliação da carga potencial máxima de solubilização.

(% P total)

325 228 86 μg/g (P/peso seco)

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NH4Cl-SRP BD-SRP NaOH-SRP 45ºC HCl-SRP NaOH-SRP 85 ºC

Furnas 5.9 (± 1.0) 11.7 (± 0.0) 181.8 (± 6.3) 44.3 (± 6.1) 81.2 (± 18.0)

Sete Cidades 12.6 (± 6.7) 5.5 (± 1.3) 37.6 (± 5.5) 11.3 (± 1.8) 9.0 (± 0.2)

Fogo

1.0 (± 0.2) 2.2 (± 0.9) 8.6 (± 5.6) 9.2 (± 1.6) 19.5 (± 3.6)

• Maior potencial de solubilização na Lagoa das Furnas (e Sete Cidades)! Capturar esse P!

• A Lagoa do Fogo apresenta uma maior resiliência: a maior fracção de P encontra-se na imobilizada na espécie mais estável.

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Perfis geoquímicos e especiação de fósforo. Avaliação da carga potencial máxima de solubilização.

pré-Avaliação de risco – potencial máximo de solubilização de fósforo

(μg.L-1)

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0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

E / m

V

t / d

• A comunidade bacteriana na Lagoa das Furnas apresenta eletroactividade, demonstrado por voltametria cíclica e geração de corrente numa CCM, produzindo-se uma densidade de corrente eléctrica na ordem dos 1 mW/m2;

• A electroactividade será, maioritariamente, devida à presença de membros das famílias Geobacteraceae e Shewanellaceae?

Avaliação da mobilidade de fósforo: bio-electroactividade

Martins G., Peixoto L., Ribeiro D.C, Parpot P., Brito A.G., Nogueira R. (2010). Towards the implementation of a benthic microbial fuel cell in lake Furnas (Azores): Phylogenetic affiliation and electrochemical activity of sediment, Bioelectrochemistry, 78, 1, 67-71.

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Avaliação de mobilidade de fósforo em sedimentos. Modelação e cenarização.

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4

4

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3

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Desorption / Adsoption

1

mEquilibriu Acid/Base

1 1 1

mEquilibriuion Precipitat

:tionMineraliza OM

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Cenário Base: Cenário de referência, concentração de oxigénio constante Cenário 1: Redução na concentração de oxigénio (de 8 mg/L para estado anóxico) no hipolimneon, com input de matéria orgânica Cenário 2: Idem, com supressão da reacção de HS com Fe (II) – Eliminação da precipitação de FeS. Cenário 3: Determinação da razão de AlOOH:FeOOH que maximiza a adsorção de P.

Avaliação da mobilidade de fósforo: cenarização prospectiva

AQUASIM – modelo bio4sed

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Avaliação de mobilidade de fósforo em sedimentos. Modelação e cenarização.

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• O arejamento pode ser contraproducente se a capacidade de retenção dos sedimentos estiver exausta – o oxigénio aumentará a mineralização da matéria orgânica e a libertação de P;

• O aumento da razão Al:Fe nos sedimentos aumenta a capacidade de retenção de fósforo (adicionar materiais naturais com conteúdo em óxido de alumínio é positivo)

• A presença/produção de H2S deve ser identificada (especialmente em lagos vulcânicos). Reage com Fe III para formar FeS, reduzindo a disponibilidade de ferro para a formação de Fe3(PO4)2 (vivianite) afectando a retenção de P;

• a comunidade microbiana nos sedimentos (…);

Outros resultados…e consequências…:

Ribeiro, D.C., Martins, G., Nogueira R., Brito, A.G. (-). The role of mineral composition to P retention in sediments: an analysis through mathematical modeling. Geobiology (submitted).

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Avaliação de mobilidade de fósforo em sedimentos. Modelação e cenarização.

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Quantificação

DGGE - Denaturing Gradient Gel Electrophoresis e Análise filogenética

Extração DNA (UltraClean Soil DNA kit) Amplificação do DNA com primers universais: 341F-GC/518R DGGE: 18 h a 75 V e 60 ºC Clonagem das bandas (TA cloning kit)

Sequenciação e analise filogenética

Identificação

PCR quantitativo

Extração do DNA pelo método de Kowalchuk/Griffiths Amplificação DNA com primers 16s: • AOB (Nitrosomonas) • NOB (Nitrobacter and Nitrospira) • AnAOB (Brocadia sp.) • PAO (Rhodocyclus)

• IRB (Geobacteraceae) Primers específicos para o gene funcional: • DNB (nirK and nirS)

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Caracterização, quantificação e actividade da comunidade bacteriana.

Comunidade bacteriana nos sedimentos

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0% 20% 40% 60% 80% 100%

Verde

Azul

Furnas

Actinobacteria

Alpha-proteobacteria

Delta-proteobacteria

Gamma-proteobacteria

Bacteroidetes/Chlorobi group

Candidate Division OP1

Candidate Division OP11

Chloroflexi

Cyanobacteria

Gemmatimonadetes

Unclassified

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Caracterização, quantificação e actividade da comunidade bacteriana.

Comunidade bacteriana nos sedimentos – DGGE e análise filogenética

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Bactérias oxidantes do amónio (AOB) :: Bactérias oxidantes do nitrito (NOB) :: Anammox

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.2. Ferramentas de avaliação da significância e apoio à decisão. Caracterização, quantificação e actividade da comunidade bacteriana.

A comunidade microbiana possui um papel activo nos ciclos de carbono e nutrientes - N, P, Fe, S

Martins G, Terada A, Ribeiro D, Corral A., Brito A.G., Smets B.,Nogueira R (2011). Structure and activity of lacustrine sediment bactéria involved in nutrient and iron cycles, FEMS Microbiology Ecology, 77, 3, 666-677.

Comunidade bacteriana nos sedimentos – Actividade

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ESTRUTURA ecossistema

FUNÇÕES ecossistema

Restauro

Restauro ecológico

Ecossistema

original

Reabilitação Requalificação / Remediação

geologia, hidrologia, morfologia, qualidade da água, fauna e flora,..

Armazenamento e recarga (superficial e subterrânea), amortecimento de cheias, retenção de sedimentos, transporte de nutrientes e cadeia trófica, uso social,…

4| PROCESSOS PARA RECUPERAÇÃO DE FÓSFORO E RECUPERAÇÃO DE MASSAS DE ÁGUA ENQUADRAMENTO

RECUPERAR A ESTRUTURA ECOLÓGICA | RECUPERAR P

15

P 30.974

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Plano Regional da

Água

2001

2007

2011

PLANEAMENTO E ORDENAMENTO DE RECURSOS HIDRICOS

2002-2004

4| PROCESSOS PARA RECUPERAÇÃO DE FÓSFORO E RECUPERAÇÃO DE MASSAS DE ÁGUA

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Sistemas convencionais com remoção biológica…

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Remoção em Zonas Húmidas Construídas com Infiltração Lenta / Filtros Verdes

Parâmetro F S F sS

tempo de retenção hidráulico dias 5-14 2-7

carga orgânica máxima, CBO kg/(ha.dia) 80 75

carga hidráulica mm/dia 7-60 2-30

área ha/(m3.d) 0.002-0.014 0.001-0.007

relação C:L 2:1 a 10:1 0.25 a 5:1

Vera L., Martel G., Salas J., Sardón N., Nogueira R., Brito A.G., Faby J., Ramón A. (2009). Depuranat project: sustainable management of wastewater in rural areas. Desalination and Water Treatment, 4 (59-68).

TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS - com reutilização de P

Vila Verde, 2007

4| PROCESSOS PARA RECUPERAÇÃO DE FÓSFORO E RECUPERAÇÃO DE MASSAS DE ÁGUA

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bacias de retenção de caudal sólido e P adsorvido

modelação do terreno: minimizar lixiviação pluvial de N e P e infiltrar no solo

emissário de drenagem de águas pluviais de zonas agro-pecuárias com forte carga de m.o. N e P

4| PROCESSOS PARA RECUPERAÇÃO DE FÓSFORO E RECUPERAÇÃO DE MASSAS DE ÁGUA

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precipitação externa – por ajuste de pH

Ajuste de pH a 9 com hidróxido de cálcio [Ca(OH2)], carbonato de cálcio [CaCO3]

4| PROCESSOS PARA RECUPERAÇÃO DE FÓSFORO E RECUPERAÇÃO DE MASSAS DE ÁGUA

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Figura 5.16 – Sistema de descarga.

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Identificado (melhor) o problema, conhecidas as questões-chave, traçados os objectivos, encontrada a estratégia, então:

1. Capturar o fósforo que se liberta dos sedimentos para a coluna de água (após as fontes externas de nutrientes serem controladas e sabendo-se que a reversão da

eutrofização resultante apenas do controlo das fontes externas tem tido sucesso limitado); 1. Capturar o fósforo drenado pelas águas residuais municipais e industriais; 2. Capturar fósforo lixiviado dos solos.

Desenvolvimento de novos sistemas regenerativos: recuperar P procurando as linhas de orientação para a eco-eficiência

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.3. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo. Desenvolvimentos em processos de adsorção com óxido de alumínio em suportes poliméricos e óxido de alumínio nanoporoso.

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Oliveira M., Ribeiro D., Nobrega J.M., Machado A.V, Brito A.G., Nogueira R. (2011). Removal of phosphorus from water using active barriers: Al2O3 immobilized onto polyolefins. Environmental Technology, 32 (9), 989-995.

SOLUÇÃO 1 | óxido de alumínio activado imobilizado em polietileno e em polietileno enxertado em 1.9% de anidrido maleico (PE-g-Ma)

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.3. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo. Desenvolvimentos em processos de adsorção com óxido de alumínio em suportes poliméricos e óxido de alumínio nanoporoso.

0 30 50 90 tempo (dia)

( a negro) Al-Pe (a cinza) Al-PE(g)Ma

120 Fósforo (μg/L)

0

T=22 ±1°C, em condições estáticas.

• Capacidade máxima de remoção: 11.1 μg/cm2 ou 1 g/kg (Prem/óxido de Al). • Eficiência: 90% de remoção (100 μg/L para 10 μg/L), 30 dias

Remoção de P:

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0 20 40 60 80 100 120

0

200

400

600

800

1000

Phos

phorus

conc

entra

tion(

mgL-1

)

T ime(h)

H P N-acac H P N -P r

SOLUÇÃO 2A| polipropileno enxertado em anidrido maleico (PP-g-MA) com dois percursores de alumínio

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.3. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo. Desenvolvimentos em processos de adsorção com óxido de alumínio em suportes poliméricos e óxido de alumínio nanoporoso.

T=22 ±1 °C ,100 rpm, pH inicial 6.0

Remoção de P: •HPN-Pr 0.80 mg/g (pH 2.5-6.0) •HPN-acac 1.2 mg/g (pH 6-8.5)

HPN-Pr (7.2% de isopropóxido de alumínio| Al(Pr-i-O3)

HPN-acac (2.84% de acetilacetonato de alumínio | Al(aca)3 Sintetizado por extrusão

Fósforo (μg/L)

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0 10 20 30 40 50

0

50

100

150

200

250

Biofilm effect Whithout biofilm

Efflu

ent [P

] (m

g/L

)

Time (d)

Concentração média de fosfato à saída de reactor ………… (com biofilme) _____ (sem biofilme)

Valores experimentais (o)

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.3. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo. Desenvolvimentos em processos de adsorção com óxido de alumínio em suportes poliméricos e óxido de alumínio nanoporoso.

tempo (dia)

SOLUÇÃO 2B| polipropileno enxertado em anidrido maleico (PP-g-MA), HPN-i com biofilme

Oliveira M., Rodrigues A.L., Ribeiro D., Brito A.G., Nogueira R., Machado A.V. (-). A novel hybrid polymer nanocomposite biofilm reactor for phosphorus removal: start-up and operation (sub).

Ensaio em continuo Q 0.5 mL/min, TRH 10h Pin 250 μg/L (Rio Cávado) pH 6.6

Remoção de P: 1.20 mg/g (P-SRP); 1.01 mg/g (P-total)

Fósforo

(μg/L)

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SOLUÇÃO 3 |Membrana nanoporosa de óxido de alumínio

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.3. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo. Desenvolvimentos em processos de adsorção com óxido de alumínio em suportes poliméricos e óxido de alumínio nanoporoso.

Anodização por reacção electroquímica do Al com O2 Alumínio (liga comercial 6060 / 6063) em electrólito com ácido sulfúrico (concentração de 190 g/L)

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SOLUÇÃO 3 |Membrana nanoporosa de óxido de alumínio

vista dos poros

2. GESTÃO DE FLUXOS DE FÓSFORO E RESTAURO DE MASSAS DE ÁGUA EM PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO. 2.3. Configuração de novos sistemas para captura de fósforo. Desenvolvimentos em processos de adsorção com óxido de alumínio em suportes poliméricos e óxido de alumínio nanoporoso.

Distância interporo 50-100 nm Diâmetro de poro 35-50 nm Comprimento do poro 120x largura

Relação por área e espessura de membrana: 42mg/(m2.µm)

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Obrigado!

a d d i n g v a l u e t o

w a t e r r e s o u r c e s

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Agradecimentos especiais: Daniel Ribeiro, Dina Pacheco, Gilberto Martins, Manuel Oliveira, Regina Nogueira, Vera Machado