Musa spp. no tratamento de esgotos: desempenho de um digestor integrado a leito de evapotranspiração e reuso do pseudocaule para produção otimizada de carvão ativado

Abstract

As atuais tecnologias usadas no tratamento de esgotos podem apresentar limitações quando considerados seus custos de implementação e operação. A situação enfrenta mais desafios quando se cogita a aplicação desses sistemas em zonas rurais. Por esse motivo, as soluções baseadas na natureza (SbN) têm se mostrado como boas alternativas, devido à sua eficiência e ao seu baixo custo de instalação e manutenção. Os chamados tanques de evapotranspiração (TEvap) constituem uma configuração mista de um sistema alagado construído (SAC) e tanque séptico impermeável, que objetivam a “descarga zero” de efluente, diminuindo o potencial de risco da contaminação dos corpos hídricos. O intuito desse trabalho foi avaliar a remoção de poluentes do esgoto doméstico em um digestor integrado a leito de evapotranspiração (DIET), utilizando-se como culturas a bananeira (Musa spp.) e a taioba (Xanthosoma sagittifolium), além de verificar a absorção de nutrientes (fósforo e nitrogênio) pela taioba e avaliar a viabilidade de consumo da banana do DIET em relação à contaminação microbiológica (coliformes totais, enterobactérias e Escherichia coli). Neste sentido, foi empregado uma ANOVA de dois fatores avaliando-se os efeitos de entrada e saída do DIET (fator corrente) e diferentes vazões (fatores ciclos de 500 L d-1 e 750 L d-1) na remoção dos parâmetros demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), demanda química de oxigênio (DQO), cor verdadeira, cor aparente, turbidez, condutividade elétrica, coliformes totais, Escherichia coli, fósforo (total e reativo), nitrogênio (formas amoniacal, total Kjeldahl e nitrato), além da variação do pH. No intuito de promover o reaproveitamento de resíduos biomássicos e aplicação como possível substrato, foi avaliado o potencial do carvão ativado do pseudocaule da bananeira para remoção de fósforo (poluente presente nos esgotos domésticos). A produção do carvão foi realizada em ambiente com baixa concentração de oxigênio, utilizando-se o pseudocaule da bananeira como fonte precursora. Foi realizado um delineamento composto central rotacional (DCCR), avaliando-se o efeito do ativante, temperatura de pirólise e tempo de ativação quanto à área superficial. Para caracterização do carvão foram realizadas microscopia eletrônica de varredura (MEV), área superficial e tamanho de poros por Brunauer-Emmett-Teller (BET), difração de raios-x (DRX), potencial zeta, ponto de carga-zero (pHpcz) e análise imediata. Posteriormente foram conduzidos testes de cinética e isotermas com solução de fósforo em bancada laboratorial, com um ponto ótimo selecionado do delineamento com base nos menores gastos de energia e reagente e com maior área superficial. Os resultados demonstraram remoção estatisticamente significativa de DBO5 (30% - corrente), DQO (43% - corrente), turbidez (36% - corrente), cor aparente (38% - corrente, 17% - ciclo), coliformes totais (52% ou 0,31 logs – corrente), Escherichia coli (38% ou 0,29 logs – corrente, 44% ou 0,34 logs - ciclo) e diferença no pH (aumento de 4,5% - ciclo). A remoção de nitrogênio e fósforo pela taioba, no segundo ciclo resultou em cerca de 1% para ambos os nutrientes. Não houve contagem para nenhum dos microrganismos na polpa da banana, embora tenha havido contagem para enterobactérias em atmosfera próxima. O carvão ativado obteve elevados valores de área superficial, com ponto ótimo nas condições de 400°C, 60 min e 2 kg kg-1, obtendo-se uma área de cerca de 1000 m² g-1. O ponto de carga zero indica que o carvão produzido favorece a adsorção de ânions em pH<7,30. O carvão demonstrou bons resultados na adsorção de fósforo, sendo o modelo de Langmuir o melhor ajustado à isoterma em 20°C, com qmax de 11,8 mg g-1, e o modelo de pseudo- segunda ordem como o melhor ajuste para cinética, com tempo de equilíbrio em 7h. Palavras-chave: tratamento de água residuária; sistema alagado construído; biomassa ligno-celulósica; carvão ativado; adsorção.Current sewage technologies used in wastewater treatment can present limitations when considering their implementation and operational costs. This situation faces even more challenges when these systems are considered for rural areas. For this reason, nature-based solutions (NBS) have emerged as promising alternatives, thanks to their efficiency and low installation and maintenance costs. The called evapotranspiration tanks (TEvap) represent a hybrid system combining a constructed wetland (CW) and an impermeable septic tank, aimed at achieving "zero-discharge" of effluent, thus reducing the potential risk of contamination in water bodies. The aim of this study was to evaluate the removal of pollutants from domestic sewage in a digester integrated with an evapotranspiration bed (DIET), using banana plants (Musa spp.) and taioba (Xanthosoma sagittifolium) as crops, as well as to assess nutrient absorption (phosphorus and nitrogen) by taioba and evaluate the feasibility of consuming bananas from DIET concerning microbiological contamination (total coliforms, enterobacteria, and Escherichia coli). In this regard, a two-factor ANOVA was applied to evaluate the effects of DIET input and output (flow factor) and different flow rates (500 L d-1 and 750 L d-1 cycles) on the removal of biochemical oxygen demand (BOD5), chemical oxygen demand (COD), true color, apparent color, turbidity, electrical conductivity, total coliforms, Escherichia coli, phosphorus (total and reactive), nitrogen (ammoniacal, total Kjeldahl, and nitrate), as well as pH variation. To promote the recycling of biomass waste and its potential as a substrate, the study also assessed the potential of activated carbon derived from banana pseudostems for phosphorus removal (a common pollutant in domestic wastewater). The biochar was produced in a low-oxygen environment using banana pseudostem as the precursor. A central composite rotatable design (CCRD) was used to assess the effects of activator, pyrolysis temperature, and activation time on the surface area. The biochar was characterized through scanning electron microscopy (SEM), surface area and pore size (Brunauer-Emmett-Teller method, BET), X-ray diffraction (XRD), zeta potential, zero-charge point (pHpzc), and proximate analysis. Subsequently, kinetic tests and isotherms with phosphorus solution were conducted in a laboratory setup, with an optimal point selected based on minimal energy and reagent consumption and the highest surface area. Results showed a statistically significant removal of BOD5 (30% - flow), COD (43% - flow), turbidity (36% - flow), apparent color (38% - flow, 17% - cycle), total coliforms (52% or 0.31 logs – flow), Escherichia coli (38% or 0.29 logs – flow, 44% or 0.34 logs - cycle), and pH variation (increase of 4.5% - cycle). The removal of nitrogen and phosphorus by taioba in the second cycle resulted in approximately 1% removal for both nutrients. No microorganism counts were found in the banana pulp, although enterobacteria were counted in the surrounding atmosphere. The activated carbon exhibited high surface area values, with an optimal point at 400°C, 60 min, and 2 kg kg-1, resulting in a surface area of approximately 1000 m² g-1. The point of zero charge indicates that the produced carbon favors the adsorption of anions at pH < 7.30. The carbon showed promising results in phosphorus adsorption, with the Langmuir model best fitting the isotherm at 20°C, with a qmax of 11.8 mg g-1, and the pseudo-second-order model providing the best fit for kinetics, with equilibrium time at 7 hours. Keywords: wastewater treatment; constructed wetland; ligno-cellulosic biomass; activated carbon; adsorption.