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
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
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
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)
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
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.)
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.
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;
< 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.
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
….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.
Lagoa das Sete-Cidades
0
2
4
6
8
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2001 2002 2003 2004 2005 2006
Mic
ro
cis
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ota
is
(m
g M
C-LR
eq
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. L
-1)
Lagoa Azul Lagoa Verde
Lagoa das Furnas
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2001 2002 2003 2004 2005 2006
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g M
C-LR
eq
uiv
.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.
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
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?
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
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
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)
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)
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)
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)
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.
4
4
4
4
3
3
44
3
3
33
22
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3
3232
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44322
24
42422
22
243
34
2
243
3
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3
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2
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3
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2
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_
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23
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deg_
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deg_
deg_2
deg_
deg_
deg_1
1
1
Desorption / Adsoption
1
mEquilibriu Acid/Base
1 1 1
mEquilibriuion Precipitat
:tionMineraliza OM
POAlad
POAlAlad
Alad
POFead
POFeFead
Fead
NH
NHH
NHNH
HS
HSHHSHS
HCO
HCOH
HCOHCO
HS
HSHSHSH
COH
HCOHCOHCOH
HPO
POH
HPOHPOCOHCO
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HPOH
POHPOH
w
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FeSeq
SFe
FeS
POFeeq
POFe
POFe
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COCa
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FeOOHFeOOH
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CK
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K
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K
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K
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K
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K
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K
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K
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K
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K
CK
K
CK
CkOM
XCK
K
CK
K
CK
CkOM
XCK
K
K
CkOM
XK
CkOM
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.
• 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.
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
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
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
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
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
Sistemas convencionais com remoção biológica…
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
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
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
Figura 5.16 – Sistema de descarga.
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.
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:
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)
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)
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)
SOLUÇÃO 3 |Membrana nanoporosa de óxido de alumínio
vista dos poros
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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)
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
Agradecimentos especiais: Daniel Ribeiro, Dina Pacheco, Gilberto Martins, Manuel Oliveira, Regina Nogueira, Vera Machado
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