Fitofiltração: o Uso de Plantas no Tratamento e Remediação ... · Fitofiltração de Metais e...

FitofiltraFitofiltraççãoão: o Uso de Plantas no Tratamento e : o Uso de Plantas no Tratamento e RemediaRemediaçção de ão de ÁÁguas Contaminadas por Metais guas Contaminadas por Metais

e Compostos Orgânicos Te Compostos Orgânicos Tóóxicosxicos

Dr. Dr. FFáábiobio N. Moreno N. Moreno Dr. Joel B. Dr. Joel B. SSíígologolo

IntroduIntroduççãoão

FitofiltraFitofiltraççãoão

••UtilizaUtilizaççãoão de de raraíízeszes de de plantasplantas parapara remoremoççãoãode de contaminantescontaminantes de de efluentesefluentes, , ááguasguassuperficiaissuperficiais e e subterrâneassubterrâneas;;

••ProcessosProcessos: : absorabsorççãoão, , sorsorççãoão, , precipitaprecipitaççãoão, , degradadegradaççãoão;;

••ContaminantesContaminantes: : metaismetais ((Pb, Pb, CuCu, , ZnZn, , MnMn, Cr, , Cr, NiNi, As), , As), radionuclradionuclíídeosdeos (U), (U), orgânicosorgânicos (TNT, (TNT, RDX), RDX), nutrientesnutrientes (PO(PO44

--, NO, NO33--).).

Efeito remediador é limitado pelafitotoxicidade do substrato

Baixo custo de operação e manutenção

Efeito remediador é limitado pelaprofundidade das raízes

Capaz de agir em solos com baixa ou nenhuma

permeabilidade

Maior tempo para atingir metasde remediação

Possibilidade de recuperação do metal da biomassa

Necessidade de um projeto de engenharia

Possibilidade de produção de energia

Necessidade de colheita e disposição da biomassa

Baixo volume de material residual

Necessidade de utilização de viveiros e/ou casa de vegetação

Tratamento de água sem uso de produtos químicos

Necessidade de ajuste constantedo pH

Remoção de diferentes tipos de poluentes

DesvantagensDesvantagensVantagensVantagens

FitofiltraFitofiltraççãoão

RecuperaRecuperaççãoão do do Metal Metal dada BiomassaBiomassa

5 cm

U$ 273,500U$ 447,700Ano 1-10

U$ 196,500U$ 270,200Ano 1-5

U$ 165,700U$ 199,200Ano 1-3

U$ 134,900U$ 128,200Ano 1

U$ 100U$ 1,200Disposição Resíduo/ano

U$ 15,300U$ 34,300O&M/ano

U$ 119,500U$ 92,700Capital

FitofiltraçãoAlumínio AtivoParâmetro de Custo

Fonte: Elless et al., 2005

ComparaComparaççãoão de de CustosCustos((TratamentoTratamento do As, 600,000 LPD)do As, 600,000 LPD)

AplicaAplicaççõesões

Fluxo da Água Subterrânea

Derramamento de Gasolina

Pluma Contaminantes (BTX)

Aquífero Raso

Solo Insaturado

Filtros SolaresFiltros Solares-- Controle HidráulicoControle HidráulicoSalix babylonica (chorão)Salix babylonica (chorão)

Absorção Direta, Sorção e Rizodegradação

Fonte

Receptor

Fluxo da Água Subterrânea

Derramamento de Gasolina

Pluma Contaminantes (BTX)

Aquífero Raso

Solo Insaturado

Filtros SolaresFiltros Solares-- Controle HidráulicoControle HidráulicoSalix babylonica (chorão)Salix babylonica (chorão)

Absorção Direta, Sorção e Rizodegradação

Fonte

Receptor

H2OH2O

/Orgânicos

Filtros SolaresFiltros Solares-- Controle HidrControle Hidrááulico de Nutrientes e Pesticidasulico de Nutrientes e PesticidasSalixSalix babylonicababylonica (chorão)(chorão)

R2 = 0.9819

20

40

60

80

0 20 40 60 80

Transpiração, mL

Mas

sa N

O3-

N, m

g

Fonte: Moreno, 1998

FitofiltraFitofiltraççãoão de Metais e de Metais e RadionuclRadionuclíídeosdeos –– Sistema HidropônicoSistema Hidropônico

HelianthusHelianthus annuusannuus (girassol)(girassol)

Precipitação, Sorção, Acumulação

Água Tratada

Água Contaminada

Microcosmo

I I I I I I IV V

VIVIIVIIIIXX

Unidade A

Unidade B

Água Contaminada

Água Tratada

Pré-Tratamento

Bomba

FitofiltraFitofiltraççãoão de Metais e de Metais e RadionuclRadionuclíídeosdeos -- Sistema HidropônicoSistema Hidropônico

Água Tratada

Fonte: Dushenkovet al., 1997

Água Contaminada

Pré-tratamento

Sistema de Fitofiltração

Pós-tratamento

Pós-Colheita

Efluente

Biomassa

Viveiro de Plantas

ObjetivosObjetivos

DDemonstraremonstrar o o potencialpotencial dada fitofiltrafitofiltraççãoão nana remoremoççãoão dde e poluentespoluentes a a partirpartir do do cultivocultivo de de plantasplantas terrestresterrestres em em solusoluççõesões hidropônicashidropônicas contendocontendo nnííveisveis elevadoselevados de de contaminantescontaminantes de de origemorigem orgânicaorgânica e e inorgânicainorgânica. .

Contaminantes Contaminantes TestadosTestados -- OrgânicosOrgânicos

ContaminaContaminaççãoão de de aqaqüíüíferosferos porpor vazamentosvazamentos de de tanquestanques e e dutosdutos subterrâneossubterrâneos

5-Padrão Potabilidade (μg/L) 5.5 x 10-36.3 x 10-6Constante de Henry

2,13-0,31Log Kow

1,791-Sol. H2O 25oC (mg/L)0,870,79Densidade 25oC78,1146,07Peso MolecularC6H6C2H5OHFórmula

BenzenoEtanol

Contaminantes Contaminantes TestadosTestados -- InorgânicosInorgânicos

ContaminaContaminaççãoão de solos e de solos e ááguasguas subterrâneassubterrâneas emem zonaszonas industriaisindustriais e de e de mineramineraççãoão do do ouroouro

1Padrão de Potabilidade (μg/L)

0.3Constante de Henry

0.02Sol. H2O 25oC (mg/L)

357Ponto de Fusão (oC)

200,57Peso Molecular

Hg (0)Fórmula

Mercúrio

CH3Hg

Bioaccumulation

Hg2+

HgS

Hg0

CH3S-HgCH3

(CH3)2H

Hg22+

WATER ANDSOIL SOLUTION

Organic + InorganicComplexes

Hg0

(CH3)2HgCH3Hg

AIR

Hg2+

Hg2+

CicloCiclo BiogeoquBiogeoquíímicomico do do MercMercúúriorio

(CH3)2Hg

(CH3)2Hg

EspEspééciescies TestadasTestadas

BrassicaBrassica junceajuncea

((MostardaMostarda))

•Família Brassicaceae;

•Alta biomassa (10 t/ha)e rápido crescimento;

•Boa tolerância a metaispesados;

•Capacidade para altaacumulação de metais nasraízes em meio hidropônico.

Salix Salix babylonicababylonica

(Chorão)

•Família Salicaceae;

•Habilidade em oxigenar a rizosfera,

•Freatófita;

•Boa capacidade de fitoestimulação;

•Transpiração elevada;

•Propagação por estaquia e crescimento rápido

Benzeno e Etanol

Mercúrio

CultivoCultivo HidropônicoHidropônico do do ChorãoChorão

camada de teflon

tampão de borrachaperfurado

camada de teflon

Erlenmeyer (500 mL) com solução nutritiva

Solução Nutritiva, pH 6,0

CultivoCultivo HidropônicoHidropônico -- MostardaMostarda

Bombade Ar

Solução Nutritiva, pH 6,0

PoteHermeticamente

Fechado (100 mL)

Saídade Ar

Entradade Ar

0,00012CoCl2.6H2O0,00012CuSO4.5H2O0,0012Na2MoO4.2H2O0,03H3BO3

0,4ZnSO4.4H2O0,11MnSO4. 4H2 O

Micronutrientes6,18Quelato de Ferro2,46MgSO4.7H2O

4,72Ca(NO3)2

3,0KNO3

0,57NH4H2PO4

Concentração(g/L)

Macronutrientes

SoluSoluççãoão NutritivaNutritiva de Hoaglandde Hoagland’’s (Half s (Half StrenghtStrenght))

ExperimentoExperimento de de FitofiltraFitofiltraççãoãoOrgânicosOrgânicos / / ChorãoChorão

Etanol - 1500 mg/L;

Benzeno – 20 mg/L;

3 repetições/ tratamento;

Alíquotas de 1 mLretiradas a cada 24 horas;

Casa de Vegetação(etanol);

Câmara de crescimento 25oC/ 16 h (benzeno);

Análise porcromatografia gasosa.

C/ EstacasAbsorção Direta

C/ RaízesAdsorção

Controle Autoclavado+ Azida de Sódio 1g/L

3 Tratamentos; solução nutritiva; pH 6,0

ExperimentoExperimento de de FitofiltraFitofiltraççãoãoMercMercúúriorio / / MostardaMostarda

Mostarda + Hg “trap” Controle + Hg “trap”

Hg na faixa de 0.05 a 10 mg/L;

3 repetições/ tratamento;

Captura do Hg volátilem sol. KMnO4 +H2SO4 (Hg trap);

Câmara de crescimento 22oC e16 h por 5 dias;

Quantificação do Hg nas plantas, nasolução e nos Hg traps;

Análise por geraçãode hidretos em AAS.

2 tratamentos, H2O deionizada, pH 6,0

ExperimentosExperimentos de de FitotoxicidadeFitotoxicidade

Baseado em medidas de transpiração das plantas

Mercúrio (Mostarda)

0, 0.05, 0.5, 1, 2.5, 5, 10 mg Hg /L de H2O deionizada

Etanol (Chorão)

0, 500, 1000, 2000 mg EtOh /L de Sol. Nutritiva

Casa de Vegetação Câmara de Crescimento20oC, 16 h fotoperíodo

3 Repetições/tratamento 3 Repetições/tratamento

ResultadosResultados

FitotoxicidadeFitotoxicidade –– EtanolEtanol / / ChorãoChorão

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Tempo (dias)

Tran

spira

ção/

biom

assa

(mL/

g)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Controle Dosadas temperatura

0 500 I000 2000

Concentração de EtOH (mg/L)

Tem

pera

tura

o C

0

400

800

1200

1600

2000

2400

0 1 2 3 4 5Tempo (dias)

Etan

ol (

mg/

L)

Chorão Raízes Controle

FitofiltraFitofiltraççãoão –– EtanolEtanol / / ChorãoChorão

X =8.8 mg/L99,4 % Efic

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7

Tempo (dias)

Benz

eno

(mg/

L)

Chorão Raízes Controle

FitofiltraFitofiltraççãoão –– BenzenoBenzeno / / ChorãoChorão

X = 0.6 mg/L97,4 % Eficiência

y = -2.5537x + 529.56r2 = 0.9904

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250

Transpiração (mL)

Etan

ol (m

g)

MecanismosMecanismos de de RemoRemoççãoão de de OrgânicosOrgânicos / / ChorãoChorão

EtanolHi < 10-6

Absorção Direta

Sorção às Raízes

Degradação narizosfera(?)

BenzenoHi > 10-6

Absorção Direta

Sorção às Raízes

Degradação na rizosfera (?)

Volatilização (?)

CxHyOz CO2 + H2O

Volatilização (?)

Absorção pela Transpiração

Sorção

Degradação (?)

FitotoxicidadeFitotoxicidade –– MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

0

3

6

9

12

15

0 0.05 0.5 1 2.5 5 10

Tratamento de Hg (mg/L)

Tran

spira

ção

( mL/

day)

a

b bb

b

cc

FitofiltraFitofiltraççãoão –– MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

0.01

0.1

1

10

0.05 0.5 1 2.5 5 10

Tratamento de Hg (mg/L)

Hg

(mg/

L)

Controle Mostarda

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5Tempo (dias)

Hg (

mg/

L)

Controle Mostarda

FitofiltraFitofiltraççãoão –– MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

0.06 mg/L94 % Efic.

FitofiltraFitofiltraççãoão –– VolatilizaVolatilizaççãoão do do MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

0.1

1

10

100

1000

0.05 0.5 1 2.5 5 10

Tratamento de Hg (mg/L)

Hg V

olát

il ( μ

g)

Mostarda Controle

Acumulação Efetiva

0.1612.11000

0.1015.1500

0.2621.5250

0.4722.9100

0.3231.150

-14.45

Ramos(%)

Raíz(%)

Massa Hg (μg)

DistribuiDistribuiççãoão do do MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

272142 130 106 107100

0.1

1

10

100

1000

0.05 0.5 1 2.5 5 10

Tratamento de Hg (mg/L)

Fato

r de

Con

cent

raçã

o

Ramos Raíz

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.05 0.5 1 2.5 5 10

Tratamento de Hg (mg/L)

Mas

sa d

e H

g R

emov

ida

(%

)

Acumulação Volatilização

MecanismosMecanismos de de RemoRemoççãoão do do MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

MecanismosMecanismos de de RemoRemoççãoão do do MercMercúúriorio / / MostardaMostarda

Hg 0

Hg(R)2 → Hg0

Algas ou Bactérias Hg-resistentes ?

•Acumulação e/ouSorção na Raíz ;

•Redução do Hg2+ a Hg0 e volatilização

ConclusõesConclusões

••A A fitofiltrafitofiltraççãoão tem tem potencialpotencial parapara remediaremediaçção de ão de efluentesefluentes e e ááguasguas subterrâneassubterrâneas contaminadascontaminadas porpor benzenobenzeno, , etanoletanol e e mercmercúúriorio e (e (talveztalvez) ) parapara outrosoutros poluentespoluentes (ex., TCE); (ex., TCE);

••EspEspééciescies testadastestadas demonstraramdemonstraram boa boa tolerênciatolerência aosaoscontaminantes contaminantes testadostestados;;

•• A A volatilizavolatilizaççãoão do Hg do Hg podepode ser ser reduzidareduzida pelapela supressãosupressão de de microorganismosmicroorganismos nana ááguagua ((adiadiççãoão de de hipocloritohipoclorito de de ssóódiodio?);?);

••A A possibilidadepossibilidade de de volatilizavolatilizaççãoão do do benzenobenzeno pelaspelas folhasfolhasdemandademanda estudosestudos adicionaisadicionais;;

••Os Os riscosriscos de de exposiexposiççãoão humanahumana pelapela cadeiacadeia alimentaralimentar e/oue/oupelapela liberaliberaççãoão atmosfatmosfééricarica de de poluentespoluentes precisamprecisam ser ser avaliadosavaliados antes antes dada comercializacomercializaççãoão destadesta tecnologiatecnologia. .

ConclusõesConclusõesAGRADECIMENTOSAGRADECIMENTOS

Dr. Henry X. Dr. Henry X. CorseuilCorseuil, , DeptoDepto. . EngenhariaEngenharia SanitSanitááriaria e e AmbientalAmbiental, UFSC, UFSC

Dr. Chris Anderson, Soils and Earth Group, Massey University, NDr. Chris Anderson, Soils and Earth Group, Massey University, NZZ

Dr. Brett Robinson, Institute of Terrestrial Ecosystems, ETHZ, Dr. Brett Robinson, Institute of Terrestrial Ecosystems, ETHZ, SuiSuiççaa

CNPqCNPq, , pelaspelas bolsasbolsas de de estudoestudo concedidasconcedidas

OBRIGADO!!!