Desempenho de gotejadores operando com efluente da castanha de caju sob distintas pressões de serviço

Performance of drippers operating with cashew nuts wastewater under different service pressures

ENGENHARIA AGRÍCOLA

Ketson Bruno da Silva^I; Manoel Januário da Silva Júnior^II; Rafael Oliveira Batista^III; Delfran Batista dos Santos^IV; Sebastião Barbosa Filho^V

^IEngenheiro-Agrônomo, Mestre. Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Avenida Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, 59625-900, Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil. [e-mail]

^IIEngenheiro-Agrônomo, Doutor. Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Avenida Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, 59625-900, Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil. [e-mail]

^IIIEngenheiro Agrícola, Doutor. Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Avenida Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, 59625-900, Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil. [e-mail] (autor para correspondência)

^IVEngenheiro-Agrônomo, Doutor. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Baiano, Campus Senhor do Bonfim, 48970-000, Senhor do Bonfim, Bahia, Brasil. [e-mail]

^VEngenheiro-Agrônomo. Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Avenida Francisco Mota, 572, Bairro Costa e Silva, 59625-900, Mossoró, Rio Grande do Norte, Brasil. [e-mail]

RESUMO

Este trabalho objetivou analisar o efeito de distintas pressões de serviço no coeficiente de variação da vazão (CVQ) de sistemas de irrigação por gotejamento, operando com água residuária da castanha de caju. O experimento foi montado no esquema de parcelas subsubdivididas, tendo, nas parcelas, as pressões de serviço (70, 140, 210 e 280 kPa), nas subparcelas, os modelos de gotejadores (G1, G2 e G3) e, nas subsubparcelas, os períodos das avaliações (0, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160 horas), no delineamento inteiramente casualizado, com três repetições. O CVQ das unidades de irrigação, bem como as características físico-químicas da água residuária, foram determinados a cada 20 h, até completar o tempo de operação de 160 h. Os resultados indicaram que a água residuária da castanha de caju representa risco de obstrução de gotejadores, em relação às características pH, cálcio, magnésio, manganês e sólidos suspensos. O entupimento parcial dos gotejadores acarretou aumento do CVQ, nas unidades de irrigação; e as unidades de irrigação que funcionaram na pressão de serviço P1 (70 kPa) apresentaram maior nível de entupimento de gotejadores, em relação às demais, em função da menor velocidade de escoamento de efluente no interior dos emissores.

Palavras-chave: reuso, irrigação localizada, entupimento.

ABSTRACT

This study aimed to analyze the effect of different operating pressures in the coefficient of flow variation (CVQ) in drip irrigation systems operating with cashew nuts wastewater. The experiment design was completely randomized with three replicates in a split plot scheme, with service pressures (70, 140, 210 and 280 kPa) on plots, models emitters (G1, G2 and G3) on subplot and operation time (0, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 and 160 hours) on subsubplots. The CVQ of the irrigation units and the physico-chemical characteristics of wastewaters were measured every 20h until the operating time of 160h. The results indicated that pH, calcium, magnesium, manganese and suspended solids of the cashew nuts wastewater represent risk of drip clogging; partial clogging of drippers caused an increase in the CVQ of the irrigation units; and irrigation units that worked at P1 (70 kPa) service pressure showed higher levels of drip clogging than the others, due to the lower flow speed of wastewater within the drippers.

Key words: reuse, trickle irrigation, clogging.

INTRODUÇÃO

Originário da América Tropical, o cajueiro pertence à família Anacardiaceae, que inclui árvores e arbustos tropicais e subtropicais, encontrando-se disperso numa extensa faixa, compreendida entre os paralelos de 27^o N, no sudeste da Flórida, e 28^o S, na África do Sul (Rejani & Yadukumar, 2010).

Considerada uma das mais importantes espécies cultivadas das regiões tropicais, o cajueiro ocupa, no mundo, uma área estimada em 3,39 milhões de hectares, apresentando como principais produtos de expressão econômica a amêndoa comestível e o líquido da casca da castanha (LCC). A produção mundial de castanha é estimada em 3,1 milhões de toneladas, destacando-se o Vietnã, a Índia, o Brasil e a Nigéria como principais países produtores (Oliveira, 2008).

No Brasil, a cajucultura mobiliza cerca de 280 mil pessoas e uma área cultivada de 740.000 ha, com produção de aproximadamente 250 mil toneladas de castanha e dois milhões de toneladas de pedúnculo, por ano. Distribuída em várias regiões do País, concentra-se na região Nordeste, que responde por 94% da produção nacional, e onde os maiores plantios se localizam, principalmente, nas faixas litorâneas e de transição, do Ceará, Piauí e Rio Grande do Norte. A matéria prima castanha alimenta um parque industrial formado por uma dezena de fábricas de grande porte e cerca de 80 minifábricas, responsáveis pela obtenção da amêndoa de castanha de caju - ACC, destinada, em sua maioria, à exportação, gerando em média divisas da ordem de U$ 225 milhões anuais (Oliveira, 2008).

O cultivo de caju, bem como a extração e o processa­mento de castanha constituem atividades tradicionais no Nordeste, havendo registro da adoção dessa prática há mais de 50 anos. A extração e o processamento de castanha de caju constituem atividades, com grande potencial de geração de empregos, tanto na propriedade rural, quanto nas agroindústrias (Oliveira, 2008).

A escassez hídrica, em vários estados do nordeste brasileiro, potencializa o aproveitamento agrícola dos resíduos líquidos, gerados no processamento da castanha de caju, por causa da possibilidade de substituição parcial de fertilizantes químicos, diminuição do impacto ambiental, em função da redução da contaminação dos corpos hídricos receptores; um significativo aumento na produção, tanto qualitativo, quanto quantitativo; além da economia da quantidade de água direcionada para a irriga­ção, que pode ser utilizada para fins mais nobres, como o abastecimento público.

O processo de industrialização da castanha de caju passa por uma série de etapas, o que resulta nas águas residuárias dessas indústrias. Os efluentes líquidos do processamento da castanha de caju são gerados, principalmente, nos processos de lavagem e umidificação da castanha, lavagem dos gases e lavagem dos equipamentos utilizados no processo industrial (Chedeville et al., 2009; Lopes et al., 2011).

Os sistemas de irrigação localizada são recomendados para aplicação de águas residuárias, por causa da elevada eficiência de aplicação do efluente e do baixo risco de contaminação do produto agrícola e de operadores no campo, pela inexistência de aerossóis que, no caso da aplicação de efluentes domésticos e de criação de animais, podem conter micro-organismos patogênicos (Souza et al., 2011). No entanto, os sistemas de irrigação por gotejamento possuem emissores que apresentam alta susceptibilidade ao entupimento (Batista 2007; Duran-Ros et al., 2009; Liu & Huang, 2009).

A formação de biofilme nos gotejadores e nas linhas laterais de sistemas de irrigação por gotejamento é o principal problema, quando da aplicação de águas residuárias (Dazhuang et al., 2009; Duran-Ros et al., 2009; Liu & Huang, 2009).

O entupimento dos gotejadores acarreta redução da vazão e aumento do coeficiente de variação de vazão (CVQ) do sistema de irrigação por gotejamento, comprometendo, assim, a produção agrícola, pela desuniformidade de aplicação do efluente (Cararo et al., 2006; Souza et al., 2006).

Para a minimização do entupimento de gotejadores, o aumento na pressão de serviço torna-se uma alternativa de baixo custo, fácil operação e alta eficiência na prevenção da formação de biofilme. Mudanças na magnitude da pressão de serviço podem interferir no processo de entupimento de gotejadores, por alteração no regime de escoamento, acarretando impactos na deposição de sedimentos (Nakayama et al., 2006). Faria et al. (2002) avaliaram o efeito da elevação da pressão de serviço na rede hidráulica de um sistema de irrigação por gotejamento, quando ocorre redução na vazão por entupimento de gotejadores. Os resultados evidenciaram que a redução na vazão dos gotejadores proporcionou aumento considerável na pressão da tubulação de distribuição de água, particularmente na condição de 50% de entupimento; 80% do comprimento da malha hidráulica apresentou pressão superior à da classe de pressão da tubulação.

Diante do exposto, este trabalho objetivou analisar o efeito de distintas pressões de serviço no coeficiente de variação de vazão do efluente, em sistemas de irrigação por gotejamento, operando com água residuária gerada no processamento da castanha de caju.

MATERIAL E MÉTODOS

Este trabalho foi realizado na Unidade Experimental de Reuso de Água (UERA), instalada no Parque Zoobotânico da Universidade Federal Rural do Semi - Árido (UFERSA), em Mossoró-RN, sob coordenadas geográficas 5º12'27" de latitude sul e 37º19'21" de longitude oeste.

A água residuária resultante do processamento da castanha de caju, utilizada neste trabalho, foi proveniente de Estação de Tratamento de Efluentes (ETE), de empreendimento situado em Mossoró-RN. O efluente líquido industrial é originado no processo de umidificação da castanha in-natura, lavagem da castanha in-natura e lavagem de piso.

Para os ensaios, foi montada uma bancada experimental, em alvenaria, na UERA, com 2,0 m de largura por 8,0 m de comprimento, dotada de piso impermeabilizado, com declividade de 1% e possuindo uma canaleta com declividade de 2%, para recirculação do efluente, visando à minimização das perdas por evaporação.

A jusante dessa bancada foi construído um reservatório, em alvenaria, com capacidade armazenadora para 5,0 m³. No interior da bancada experimental, foram montadas quatro unidades de irrigação por gotejamento, compostas de: um conjunto motobomba de 1,0 cv, um hidrômetro com capacidade para 1,5 m³ h^-1, um filtro de tela com aberturas de 130 ∝m, linha de derivação, em PVC, de 32 mm, e linhas laterais de polietileno, com diâmetro nominal de 16 mm, dotadas de três modelos de gotejadores, conforme apresentado na Figura 1.

No início de cada linha de derivação, foram instalados registros de gaveta, para controle da pressão de serviço, nas unidades de irrigação por gotejamento (70, 140, 210 e 280 kPa). Na linha de derivação de cada unidade de fertirrigação, foram inseridos nove conectores. Para cada modelo de gotejador, foram instaladas três linhas laterais, com 8 m de comprimento. Os três tipos de gotejadores avaliados, de acordo com os fabricantes, foram selecionados com base na sua menor susceptibilidade ao entupimento e por serem muito comercializados no mercado nacional (Tabela 1).

O experimento foi realizado no período de 11 de março a 20 de abril de 2012. As unidades de irrigação por gotejamento funcionaram, em média, quatro horas por dia, até completar 160 h. Nesse período, as vazões dos gotejadores, o coeficiente de variação de vazão (CVQ) e as características físico-químicas e biológicas do efluente foram determinados.

A vazão foi medida em sete gotejadores, de todas as linhas laterais das unidades de irrigação por gotejamento, coletando-se o volume aplicado durante três minutos. A pressão de serviço foi medida, diariamente, com um manômetro de glicerina graduado de 0 a 4 atm. O desempenho das unidades de irrigação foi avaliado a cada 20 h, durante o período de aplicação do efluente de 160 h. Determinou-se o coeficiente de variação de vazão (CVQ), utilizando-se a equação 1.

em que:

CVQ - coeficiente de variação da vazão dos gotejadores, %;

σ_Q - desvio padrão das vazões dos gotejadores, L h^-1; e

Q_m - vazão média dos gotejadores, L h^-1.

As características físico-químicas e biológicas da água residuária da castanha de caju foram determinadas a cada 20 h de funcionamento das unidades de irrigação por gotejamento, em conformidade com as recomendações do Standard Methods (APHA, 2005). Para isso, foram medidos os valores do potencial hidrogeniônico (pH), com peagâmetro de bancada; as concentrações de ferro total (Fe) e manganês total (Mn), por espectrofotometria de absorção atômica; as concentrações de cálcio (Ca²⁺) e magnésio (Mg²⁺), pelo método titulométrico. As concentrações dos sólidos suspensos (SS) e dos sólidos totais (ST) foram determinadas pelo método gravimétrico, enquanto as concentrações dos sólidos dissolvidos (SD) foram obtidas pela diferença de ST e SS.

A água residuária resultante do processamento da castanha de caju, utilizada neste trabalho, foi proveniente do processo de umidificação da castanha in-natura, lavagem da castanha in-natura e lavagem de piso.

O experimento foi montado em esquema de parcelas subsubdivididas, tendo, nas parcelas, as pressões de serviço (70, 140, 210 e 280 kPa), nas subparcelas, os modelos de gotejadores (G1, G2 e G3) e, nas subsubparcelas, os períodos das avaliações (0, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160 horas), no delineamento inteiramente casualizado, com três repetições, conforme a metodologia proposta por Batista (2007).

Os dados foram submetidos à análise de variância (ANOVA), empregando-se o teste F a 5% de probabilidade. As médias foram comparadas, utilizando-se o teste Tukey, a 5% de probabilidade.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na Tabela 2, estão apresentadas as médias e os desvios padrão das características físico-químicas e microbioló­gicas da água residuária do processamento da castanha de caju.

Verificou-se, nessa Tabela, que as características pH, sólidos suspensos (SS) e sólidos dissolvidos (SD) representam risco severo de obstrução dos gotejadores, segundo as diretrizes apresentadas por Nakayama et al. (2006). Esses resultados corroboram, em parte, os do trabalho apresentado por Batista et al. (2011), em que o risco de obstrução de gotejadores foi classificado como severo para as características pH e SS, quando da aplicação de esgoto doméstico terciário, enquanto o risco de obstrução de gotejadores foi classificado como baixo, na característica SD. Cunha et al. (2006) e Batista (2007) trabalharam com água residuária da despolpa dos frutos do cafeeiro e constataram riscos de obstrução de gotejadores, classificado como baixo, moderado e severo, para as características pH, SS e SD. Deve-se ressaltar que o risco de obstrução dos gotejadores, relatado por Cunha et al. (2006) e Batista (2007) foi baixo, por causa de as águas residuárias da despolpa dos frutos do cafeeiro terem passado por uma unidade de pré-tratamento com filtragem.

As características manganês total (Mn) e ferro total (Fe) apresentam risco de obstrução de gotejadores classificado como moderado, conforme o estabelecido por Nakayama et al. (2006). O teor médio de Fe foi inferior ao valor de 1,7 mg L^-1, obtido por Batista et al. (2011), em trabalho com esgoto doméstico terciário, que representou, também, risco moderado de obstrução de gotejadores. No trabalho apresentado por Batista et al. (2011), não foi constatada a presença de Mn, no esgoto doméstico terciário, sendo o risco de obstrução de gotejadores classificado como baixo.

Segundo Capra & Scicolone (1998), as concentrações de cálcio (Ca²⁺) e magnésio (Mg²⁺) apresentam risco de obstrução de gotejadores baixo e moderado, respectivamente. Esses resultados corroboram os obtidos por Liu & Huang (2009), com esgoto doméstico tratado em sistema de lodo ativado, cujo risco de obstrução de gotejadores proporcionado por Ca²⁺ e Mg²⁺, também, foram classificados como baixo e moderado. Esses resultados assemelham-se aos obtidos por Batista et al. (2011), com esgoto doméstico terciário, em cujo trabalho tanto o Ca²⁺, quanto o Mg²⁺ apresentaram baixo risco de obstrução de gotejadores.

Na Figura 2, estão apresentados os resultados do coeficiente de variação de vazão (CVQ) dos gotejadores, nas unidades de irrigação com gotejadores G1, G2 e G3, operando com água residuária da castanha de caju, sob distintas pressões de serviço.

As unidades de irrigação com gotejador G1, submetidas às pressões de serviço P1, P2, P3 e P4, nos tempos de funcionamento inicial e 160 h, apresentaram valores de CVQ de 5 e 44%; 3 e 5%; 6 e 7%; e 5 e 2%, respectivamente (Figura 2A). Verificou-se que, no tempo de funcionamento de 160 h, o valor de CVQ da unidade de irrigação submetida à pressão de serviço P1 foi superior a 20%, recebendo, assim, a classificação inaceitável, segundo a norma ASABE EP 405 (Asabe Standards, 2003). Os demais valores de CVQ das unidades de irrigação foram inferiores a 10%, sendo classificados como bons. Já as unidades de irrigação com gotejador G2, submetidas às pressões de serviço P1, P2, P3 e P4, nos tempos de funcionamento inicial e 160 h, apresentaram valores de CVQ de 4 e 7%; 4 e 4%; 5 e 8%; e 4 e 3%, respectivamente (Figura 2B). Verificou-se que os valores de CVQ das unidades de irriga­ção foram inferiores a 10%, sendo classificados como bons, segundo a norma ASABE EP 405 (Asabe Standards, 2003). Nos tempos de funcionamento inicial e 160 h, as unidades de irrigação com gotejador G3, submetidas às pressões de serviço P1, P2, P3 e P4, apresentaram valores de CVQ de 3 e 8%; 4 e 4%; 3 e 4%; e 3 e 4%, respectivamente (Figura 2C). Verificou-se que os valores de CVQ das unidades de irrigação foram inferiores a 10%, sendo classificados como bons, segundo a norma ASABE EP 405 (Asabe Standards, 2003). Para os gotejadores G1, G2 e G3, os valores de CVQ, obtidos com 160 h de operação, foram inferiores aos valores obtidos por Puig-Bargués et al. (2005), os quais, depois de 750h de funcionamento das unidades de aplicação, foram de 58, 35 e 5%, para as unidades de irrigação aplicando efluente secundário, filtrado em filtro de discos de 130 ∝m, efluente secundário, filtrado em filtro de tela de 130 ∝m, e efluente terciário filtrado em filtro de tela de 130 ∝m, respectivamente.

A maior susceptibilidade ao entupimento do gotejador G1, em relação aos gotejadores G2 e G3, na pressão de serviço P1 (70 kPa), está associada ao maior comprimento de labirinto e menor vazão; nessas condições a velocidade do escoamento de efluente no interior do emissor é menor, favorecendo a formação de biofilme.

Na Tabela 3, encontra-se o resumo da análise de variância (ANOVA) do CVQ das unidades de irrigação com gotejadores G1, G2 e G3, sob distintas pressões de serviço, no esquema de parcelas subsubdivididas. Verificou-se que a interação P x G x T foi significativa a 1% de probabilidade, pelo teste F. Em vista do resultado da ANOVA, procedeu-se ao desdobramento da interação P x G x T.

Estão apresentados na Tabela 4 os valores médios da variável CVQ das unidades de irrigação, para o fator gotejador, dentro de cada nível de tempo de funcionamento e cada nível de pressão de serviço, operando com água residuária do processamento da castanha do caju. Verificou-se, nessa Tabela, que, na pressão de serviço P1, o CVQ da unidade com o gotejador G1 diferiu do CVQ das unidades de irrigação com gotejadores G2 e G3, a partir do tempo de funcionamento de 20 h. Na pressão de serviço P2, verificou-se que o CVQ da unidade com gotejador G1 diferiu do CVQ da unidade de irrigação, com gotejador G3, no tempo de funcionamento de 40 h.

Na pressão de serviço P3, foi verificado que o CVQ da unidade de irrigação com gotejador G1 diferiu do CVQ das unidades de irrigação com gotejadores G2 e G3, no tempo de funcionamento de 40 h; o CVQ da unidade com gotejador G1 diferiu do CVQ da unidade de irrigação com gotejador G2, no tempo de funcionamento de 80 h e no tempo de funcionamento de 160 h, o CVQ da unidade de irrigação com gotejador G2 diferiu do CVQ das unidades de irrigação com gotejador G3. Na pressão de serviço P4, foi verificada diferença apenas no tempo de funcionamento de 40 h, pois o CVQ da unidade de irrigação com gotejador G1 diferiu do CVQ das unidades de irrigação com gotejadores G2 e G3. Estes valores permitem afirmar que os gotejadores G2 e G3 são os mais indicados, na pressão de serviço P1(70 kPa), uma vez que ambos possuem o dispositivo de autocompen­sação, que minimiza o processo de obstrução. O gotejador G1 é mais indicado para a pressão de serviço P2(140 kPa), uma vez que sua utilização torna-se mais viável, do ponto de vista econômico, com relação às pressões de serviço P3(210 kPa) e P4 (280kPa).

Constatou-se, no equipamento de aplicação, o desenvolvimento de biofilme. Em três modelos de gotejadores, os biofilmes ficaram acumulados em toda a parte interna da tubulação do sistema de irrigação. No entanto, suas ocorrências mais visíveis foram percebidas nos labirintos dos três modelos de gotejadores, conforme apresentado na Figura 3, onde estão apresentadas ilustrações dos gotejadores com a presença de biofilme.

A formação desse biofilme deveu-se, em parte, à não realização de aberturas de finais de linhas laterais para limpeza, tendo a ausência dessa prática o propósito de potencializar os efeitos do entupimento e, consequente­mente, apontar o gotejador menos susceptível ao entupimento. Processo semelhante foi observado no trabalho conduzido por Batista (2007) e por Dazhuang et al. (2009).

CONCLUSÕES

A água residuária gerada no processamento da castanha de caju representa risco de obstrução de gotejadores, em relação às características pH, cálcio, magnésio, manganês, sólidos suspensos e sólidos totais.

O entupimento parcial dos gotejadores acarretou aumento nos valores do coeficiente de variação de vazão das unidades de irrigação, abastecidas com água residuária do processamento da castanha de caju.

As unidades de irrigação que funcionaram na pressão de serviço P1 (70 kPa) apresentaram maior nível de entupimento de gotejadores, em relação àquelas com as pressões de serviço P2 (140 kPa), P3 (210kPa) e P4 (280 kPa).

O gotejador G1 é mais susceptível ao entupimento do que os gotejadores G2 e G3, por causa do maior comprimento de labirinto. Esse gotejador é mais indicado sob a pressão de serviço P2 (140 kPa), quando da aplicação da água residuária gerada no processamento da castanha de caju.

Para o uso de gotejadores, é necessária a implantação de unidade de filtragem, visando à redução de sólidos suspensos, considerando-se que a água residuária gerada no processamento da castanha de caju não atendeu à legislação vigente, para lançamento de efluentes tratados em corpos hídricos, CONAMA n^o 430/2011.

Recebido para publicação em 18/09/2012

Aprovado em 16/04/2013

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Desempenho de gotejadores operando com efluente da castanha de caju sob distintas pressões de serviço

Performance of drippers operating with cashew nuts wastewater under different service pressures

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  26 Jul 2013
• Data do Fascículo
  Jun 2013

Histórico

• Recebido
  18 Set 2012
• Aceito
  16 Abr 2013