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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2022.tde-27072022-094413
Document
Author
Full name
Nícolas Reinaldo Finkler
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2022
Supervisor
Committee
Cunha, Davi Gasparini Fernandes (President)
Filoso, Solange
Gücker, Björn
Patrizzi, Leila Jorge
Pissarra, Teresa Cristina Tarle
Title in Portuguese
Transporte e retenção de nutrientes em corpos da água tropicais receptores de efluentes de Estações de Tratamento de Esgoto
Keywords in Portuguese
biogeoquímica
ecossistemas tropicais
espiral de nutrientes
fontes pontuais de poluição
fósforo
nitrogênio
Abstract in Portuguese
As Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs), embora tenham eliminado muitos dos problemas decorrentes da presença do esgoto em corpos receptores, podem ser ainda uma fonte relevante de nutrientes dependendo da tecnologia empregada no tratamento. Efluentes de ETEs contribuem para o aporte de nitrogênio (N) e fósforo (P) aos ecossistemas aquáticos, gerando implicações em curto e longo prazo ao funcionamento destes ambientes. O objetivo principal dessa pesquisa foi avaliar a influência dos lançamentos de ETEs sobre a capacidade autodepurativa de cursos de água tropicais receptores em relação aos macronutrientes, isto é, sua capacidade em reter formas dissolvidas de N e P. Foram estimadas as distâncias (SW e SW-net) e velocidades de retenção (Vf e Vf-net) do fósforo solúvel reativo (SRP), nitrato (NO3-N) e amônio (NH4-N) em trechos de três corpos receptores de ETEs (que empregam tecnologias de tratamento como reatores UASB, lagoas de estabilização e lodos ativados) e de dois riachos de referência (que não recebem efluentes). SW (para riachos de referência) e SW-net (para corpos receptores) representam a distância média percorrida por uma molécula de nutriente até ser removido da coluna da água (sensu espiral de nutrientes), enquanto Vf (riachos de referência) e Vf-net (corpos receptores), a eficiência com que os nutrientes são removidos, indicando a demanda biológica por diferentes formas de N e P. As métricas foram quantificadas por meio da análise do padrão longitudinal de concentrações a jusante da adição de nutrientes (a ETE no caso de corpos receptores, e uma bomba com uma solução concentrada em trechos de referência). Essas estimativas foram associadas a variáveis hidrodinâmicas, físico-químicas e a taxas de metabolismo aquático (respiração ecossistêmica, RE e produção primária bruta e líquida, PPB e PPL, respectivamente). No total, foram realizadas cinco coletas entre março de 2019 e julho de 2021. Os resultados indicaram que a distância de retenção de nutrientes em corpos receptores (média ± desvio padrão para SW-net de 4,2 ± 1,6, 5,0 ± 2,9 e 3,3 ± 1,8 km para NH4-N, NO3-N e SRP, respectivamente) foi mais longa que em riachos de referência (SW de 0,1 ± 0,07, 0,3 ± 0,2 e 0,2 ± 0,1 km para NH4-N, NO3-N e SRP, respectivamente), sugerindo maior potencial de exportação de nutrientes em trechos a jusante de ETEs. No caso das velocidades de retenção, não houve diferença significativa para o NO3-N e SRP entre corpos receptores e riachos de referência, enquanto a velocidade de retenção do NH4-N apresentou valores superiores em trechos de referência. Houve a predominância de heterotrofia (RE > PPB) em todos os corpos de água analisados, sendo que nos corpos receptores (PPL média = -11,7 ± 10,9 g O2/m².dia) foram predominantes condições heterotróficas mais estritas que nos de referência (PPL média = -6,9 ± 5,3 g O2/m².dia), indicando maior consumo de oxigênio dissolvido e matéria orgânica nos primeiros. Nos riachos de referência, a retenção foi superior que nos corpos receptores, sugerindo menor exportação de nutrientes de ambientes próximos de suas condições naturais em comparação a ambientes com algum tipo de impacto. As concentrações de NH4-N lançadas pelas ETEs estiveram relacionadas com a retenção das três formas de nutrientes ao longo das coletas em corpos receptores. Além disso, observou-se influência das condições ambientais a montante das ETEs e da vazão de lançamento da ETE em relação à vazão do corpo receptor sobre as métricas de retenção de nutrientes. Alguns mecanismos potenciais de retenção sugeridos pelos resultados indicaram que a nitrificação e adsorção podem ter sido predominantes. No entanto, tais processos não são capazes de remover permanentemente os nutrientes lançados pelas ETEs, mas apenas de convertê-los ou retê-los temporariamente, o que ainda mantém a possibilidade de exportação de N e P para ecossistemas a jusante. Assim como em outros estudos, os corpos receptores não mostraram ser sumidouros efetivos, mas sim transformadores de nutrientes. Espera-se que os resultados gerados neste estudo possam subsidiar, por exemplo, a definição de critérios de outorga de lançamento de efluentes e eventuais adequações tecnológicas em ETEs para maximizar a capacidade autodepurativa dos corpos receptores.
Title in English
Nutrient transport and retention in tropical rivers receiving wastewater treatment plant discharges
Keywords in English
biogeochemistry
nitrogen
nutrient spiraling
phosphorus
point sources of pollution
tropical ecosystems
Abstract in English
Wastewater treatment plants (WWTP) have eliminated many of the problems related to the presence of sewage in natural watercourses. Nevertheless, WWTP can be a relevant source of nutrients depending on the technology used in the treatment. Effluents contribute to the supply of nitrogen (N) and phosphorus (P) to receiving aquatic ecosystems, creating short- and long-term implications for the functioning of these environments. This study aimed to evaluate the influence of WWTP discharges on the self-purifying capacity of receiving tropical rivers to retain dissolved forms of N and P. Uptake lengths (SW and SW-net) and velocities (Vf and Vf-net) of soluble reactive phosphorus (SRP), nitrate (NO3-N), and ammonium (NH4-N) were estimated for three receiving rivers (with treatment technologies such as UASB reactors, stabilization ponds and activated sludge) and two reference streams (which do not receive effluents). Both SW (for reference streams) and SW-net (for receiving rivers) represent the average distance traveled by a nutrient molecule until its removal from the water column (sensu nutrient spiraling). Vf (reference streams) and Vf-net (receiving rivers) represent the efficiency that nutrients are removed, indicating the biological demand. The metrics were quantified by analyzing the longitudinal patterns of concentrations downstream of the nutrient addition (the WWTP outfall in receiving rivers, and a pump with a concentrated solution in reference streams). These estimates were associated with hydrodynamic and physicochemical variables, and metabolic rates (ecosystem respiration, ER and gross and net primary production, GPP, and NPP, respectively). In total, five field sampling were carried out between March 2019 and July 2021. The results indicated that the nutrient uptake lengths in receiving rivers (mean ± standard deviation of SW-net of 4.2 ± 1.6, 5.0 ± 2.9 and 3.3 ± 1.8 km for NH4-N, NO3-N, and SRP, respectively) was longer than in reference streams (0.1 ± 0.07, 0.3 ± 0.2 and 0.2 ± 0.1 km SW for NH4-N, NO3-N, and SRP, respectively), suggesting greater potential for nutrient export in reaches downstream of the WWTP. There were no significant differences for NO3-N and SRP uptake velocities between receiving rivers and reference streams, whereas higher values were observed for NH4-N in the reference streams. There was a predominance of heterotrophy (ER > GPP) for all watercourses. In the receiving streams (mean NPP = -11.7 ± 10.9 g O2/m².day) were observed greater heterotrophic conditions than in reference streams (mean NPP = -6.9 ± 5.3 g O2/m².day), which indicates greater consumption of dissolved oxygen and organic matter in the former. The reference streams showed higher retention than receiving rivers, suggesting lower nutrient export from these reaches. The NH-N concentrations discharged by the WWTP were related to retention of the three forms of nutrients along the receiving rivers. In addition, it was observed the influence of both ambient conditions upstream of the WWTP, and the effluents discharge with relation to the receiving rivers discharge on nutrient retention estimates. Some potential retention mechanisms suggested by the results indicated that nitrification and adsorption may have been predominant; however, they are not able to permanently remove the nutrients discharged by the WWTP, increasing potentially the N and P export to downstream ecosystems. As in other studies, the receiving rivers were not effective sinks of nutrients, but nutrient transformers. It expects that the results generated in the study can subsidize, for example, the definition of new criteria for effluent discharges, and eventual technological adaptations in the WWTP in order to maximize the self-purifying capacity of the receiving rivers.
 
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Publishing Date
2022-08-03
 
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