MELHORIA DAS CONDIÇÕES DA ÁGUA ATRAVÉS DO USO DE

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MELHORIA DAS CONDIÇÕES DA ÁGUA ATRAVÉS DO USO DE
MELHORIA DAS CONDIÇÕES DA ÁGUA ATRAVÉS DO USO DE FILTRO DE AREIA
MODIFICADO COM BIOMASSA
1 Vanusa
1
2
Maria F. de Oliveira e 2 Moilton R. Franco Júnior
Discente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da UFU/MG
Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG
1,2
Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K,
Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100
e-mail: [email protected]
RESUMO - O desenvolvimento de uma região depende da qualidade da água disponível à
população. Com o intuito de aliar o reaproveitamento de resíduos ao tratamento de água, o
presente trabalho teve como objetivo avaliar a eficiência de filtros de areia com recheio
modificado com adição de casca de café ou de pinus in natura, para a remoção de
contaminantes químicos e físicos do fluido percolante. Foram construídos filtros em PVC,
providos de camadas internas de areia e biomassa, alimentados com água bruta sintética
diariamente. As amostragens de filtrado foram realizadas, semanalmente, durante um mês. Os
resultados mostraram que a casca de café não foi capaz de reduzir a turbidez inicial da água
em mais de 35%, enquanto que para a casca de pinus essa porcentagem foi em média de
57%. Ambos os materiais apresentaram uma tendência em reduzir o pH da água. Os resultados
ainda permitiram observar que, os filtros testados não se mostraram eficientes para a remoção
de micro-organismos como era desejado.
Palavras-Chave: tratamento de água, filtração lenta, biomassas.
INTRODUÇÃO
A quantidade de água disponível para o consumo humano não é suficiente em muitos lugares, não somente do Brasil, mas em todo o mundo, uma em cada seis pessoas no mundo, sofrem
com a escassez de água potável (Colavitti, 2013).
Isso ocorre devido à má distribuição de recursos
hídricos aliada ao mau uso que se faz das reservas naturais, nascentes de rios e também da contaminação e desperdício da água (Ana, 2002;
Domingos, 2013). Cerca de 40% da água tratada
distribuída no Brasil é desperdiçada, enquanto
que 45% da população do país, sequer tem acesso a serviços de tratamento de água (Branco,
2013).
Sabe-se que a água é fonte vital dos organismos, desde bactérias, vírus e protozoários, até
os mais desenvolvidos. Assim, a sua importância
na saúde, visto que pode ser o veículo transmissor de muitas doenças como a cólera, febre tifoide, leptospirose, ascaridíase, esquistossomose,
entre outras (Branco, 2013; Colavitti, 2013; Pinto;
Hermes, 2006). A contaminação da água se dá
principalmente pelo lançamento de esgoto sanitá-
rio em córregos e rios (Kronemberger et al.,
2011).
Assim a necessidade de técnicas para purificação da água, mesmo em regiões em que a
quantidade desta é insuficiente e, portanto o tratamento convencional se torna inviável. Os processos envolvidos no tratamento são muitos, porém sempre com o mesmo objetivo, de clarificação e desinfecção da água (Brasil, 2006). Em geral, para isso são empregadas técnicas de filtração, decantação ou sedimentação, floculação,
coagulação, alcalinização, cloração e fluoretação
(Sabesp, 2014). Todos os processos, inclusive os
de caráter emergencial e domiciliar, apresentam
vantagens e desvantagens, a metodologia apropriada depende das características da região e da
própria água a ser tratada, dos materiais disponíveis para a execução do procedimento, dos costumes da população local além da disponibilidade
das pessoas pra a implementação e operação do
sistema (Duarte, 2011; Mwabi et al., 2011).
Para remoção de turbidez em nível doméstico, por exemplo, podem ser empregados processos de sedimentação e filtração, com filtros de
fibra e filtros lentos de areia (Sobsey, 2002). Uma
modificação destes últimos são os chamados
BSF, bio sand filter, que se diferem dos anteriores
na maior capacidade de remoção de contaminantes, inclusive micro-organismos (Mwabi et al.,
2011; Baig et al., 2011). Além disso, modificações
dos próprios BSF são estudadas para melhorar o
desempenho (Ahammed; Drava, 2011; Baig et al.,
2011).
Materiais com capacidade de retenção de
partículas, como os de superfície porosa, podem
ser uma alternativa para a modificação e melhoria
destes tratamentos, como biomassas, por exemplo, que são geradas como resíduos em muitas
culturas no Brasil, e em alguns casos até possuem potencial de contaminação ambiental. Sendo
assim, este trabalho buscou aliar o tratamento de
água ao descarte sustentável deste tipo de resíduo orgânico, uma vez que no país não se tem
pesquisas neste sentido.
Logo, o objetivo deste este estudo foi o desenvolvimento de um BSF modificado com casca
de café e de pinus, a fim de avaliar a eficiência
para reduzir contaminantes físicos, químicos e
principalmente, biológicos e melhorar a qualidade
da água, com um sistema de fácil implantação e
operação, a nível domiciliar.
MATERIAIS E MÉTODOS
As cascas utilizadas não sofreram qualquer
tipo de tratamento físico ou químico para ativação, apenas foram lavadas com água de torneira,
para remoção da cor, o que ocorreu em três dias,
em seguida foram secas em estufa a temperatura
de 65 °C. Para obtenção da granulometria desejada, entre 4,75 mm e 2,36 mm, o material foi separado utilizando um sistema de peneiras, que
também foi utilizado para a classificação da areia
definida como: cascalho, de tamanho entre 6,00
mm e 4,00 mm; cascalho fino, entre 3,00 mm e
2,00 mm; areia grossa, entre 1,68 mm e 0,71 mm
e areia fina, entre 0,25 mm e 0,08 mm.
A areia assim como as cascas, foi acondicionada em camadas, formando o meio filtrante, em
dois tubos de PVC acoplados na parte inferior de
um reservatório, conectados a duas provetas graduadas por mangueiras, formavam o sistema de
filtração. Como só era possível analisar dois filtros
de cada vez, o trabalho foi dividido em três etapas: a primeira comparou-se o comportamento
das duas biomassas utilizando areia grossa, na
segunda foi realizada a comparação do BSF convencional de areia fina com o modificado com
casca de café e na última etapa foi feito o mesmo
procedimento utilizando casca de pinus como
modificação. Cada etapa teve duração de quatro
semanas, os filtros eram alimentados com água
bruta sintética diariamente e as análises realizadas duas vezes na semana, antes e após cada
filtração.
A preparação da água bruta sintética consistiu
em contaminar água de torneira com esgoto fresco para monitorar a presença de coliformes e terra para conferir turbidez e cor a água.
As análises químicas de dureza, cloretos e
nitrogênio amoniacal, além da cor e presença de
coliformes, foram realizadas utilizando o conjunto
de procedimentos de um kit comercial para análise de potabilidade da água, enquanto que a variação dos parâmetros físicos como, condutividade
elétrica, pH, temperatura e turbidez, foi monitorada com instrumentos de medida apropriados.
RESULTADOS
A vazão de filtração reduz com o tempo, no
entanto, essa redução não é gradativa, sofre a
influência do nível de líquido no reservatório, uma
vez que o sistema foi operado em batelada, assim, nos dias em que o volume de líquido era
maior, o volume de filtrado era superior aos dias
em que o nível do reservatório era baixo. Somente a casca de café, quando utilizada com areia
fina, mostrou um comportamento decrescente
mais uniforme, após uma abrupta diminuição já
no início da operação, provavelmente devido a
compactação da camada vegetal.
Todos os sistemas foram capazes de reduzir
a turbidez inicial da água, porém essa redução
não foi maior do que a obtida com BSF convencional. Além do mais, o efluente do BSF modificado
com casca de café e areia fina, teve os valores de
turbidez e cor superiores ao da água bruta sintética, após a primeira semana de tratamento, esse
fato pode ter ocorrido pela liberação de substâncias, causada pela decomposição do vegetal no
interior do filtro, visto que o material possui 4,5%
de lipídeos entre outros nutrientes (Andrade,
2009). Já a casca de pinus, se mostrou ligeiramente mais eficiente que o BSF convencional de
areia no início do estudo, no entanto, nos últimos
dias a porcentagem de remoção foi menor do que
do filtro de areia, mesmo assim, se manteve alta,
a porcentagem de redução da turbidez pelo filtro
modificado com casca de pinus foi de 58% em
média. Vale ressaltar que o BSF modificado com
zeólitas naturais utilizado por Mwabi et al. (2011)
apresentou porcentagem de remoção acima de
90%, nas condições por eles adotadas. Baig et al.
(2011) também conseguiram remoções de turbidez acima de 80%, nos primeiros 30 dias com o
BSF modificado com maior quantidade de casca
de pinus. O comportamento da turbidez da água
com o tempo devido aos tratamentos com BSF de
casca de pinus é apresentado na figura 1.
Figura 1 – Variação da turbidez do filtrado, onde: AS representa os valores da água bruta
sintética, A representa os valores do efluente
do filtro de areia e P os valores do efluente do
filtro com casca de pinus.
Pelas imagens anteriores geradas por microscopia eletrônica de varredura, numa ampliação de 400 vezes, se observa que a casca de
pinus apresenta uma superfície com grande quantidade de poros de tamanhos variados, enquanto
que a biomassa de café não tem uma superfície
rica em poros.
Durante todo o estudo, também foi analisada
a condutividade elétrica (CE) do líquido, que corresponde a capacidade da solução em conduzir
corrente elétrica, sendo, portanto, uma forma de
estimar a quantidade de sólidos totais, uma vez
que é proporcional ao número de íons dissolvidos
no meio.
Ambos os materiais utilizados como modificação dos BSF provocaram uma leve elevação na
condutividade elétrica do filtrado, como pode ser
observado na figura 3.
Observa-se que em geral, o valor de turbidez
do efluente do filtro modificado com casca de pinus se manteve abaixo de 10 NTU, unidades nefelométricas de turbidez.
Como já foi dito, a casca de café não se mostrou eficiente na redução da cor aparente da
água, além disso, conferiu cor a mesma, por outro
lado, a casca de pinus presente no filtro proporcionou uma porcentagem de redução da cor aparente da água sintética de quase 70% em todo o
estudo. Isso talvez possa ser explicado pela estrutura interna dos materiais, apresentada na Figura
2.
Figura 3 – Variação da condutividade elétrica
do filtrado, onde AS representa os valores obtidos para a água bruta sintética, A os valores
do filtrado com o filtro de areia, C do efluente
do BSF de casca da café e P efluente do filtro
modificado com casca da pinus.
Figura 2 – Superfície interna da casca de pinus
(A) e superfície da casca de café (B).
Isso pode ter sido causado pelo arraste de
componentes químicos das próprias biomassas,
uma vez que estas são muito ricas em nutrientes
como K, N, P e, além disso, apresentam condutividade elétrica elevada, a casca de café, por
exemplo, possui condutividade elétrica de 1156
µS.cm-1, de acordo com Zoca (2012). Lo Mônaco
et al. (2011) que utilizaram casca de café em filtros orgânicos para melhoria das condições da
água residuária da cafeicultura, também observaram elevação na condutividade elétrica e concentração de sólidos totais no efluente. Outra causa
possível é o arraste de partículas de areia, até
porque, na segunda e terceira etapas do trabalho,
se utilizou areia fina como meio de filtração, além
das cascas, e até mesmo o BSF convencional
provocou elevação do parâmetro.
Pode-se perceber que na etapa em que a
modificação foi realizada com casca de café e
areia fina, houve um decréscimo de condutividade
elétrica com o tempo, e em seguida um aumento,
vale ressaltar que nesta etapa se trabalhou com
baixa vazão em todo o período assim se evitaria o
arraste de material, logo os valores de condutividade elétrica dos efluentes são apenas ligeiramente superiores aos da água sintética, principalmente no início do estudo. Na parte final do
trabalho, em que a condutividade elétrica da água
sintética foi um pouco maior, as variações deste
parâmetro no líquido filtrado também foram maiores. Provavelmente com a obstrução dos poros
pelas partículas de sujeira com o passar do tempo, a passagem do líquido arrastava as de menor
granulometria. Enquanto que na última etapa do
estudo, em que se trabalhou com maior vazão de
entrada de água sintética e casca de pinus como
complemento do meio filtrante, houve elevação da
condutividade durante todo o período de análise,
o que reforça a ideia de que ocorreu passagem
de partículas de areia para a água filtrada e que
portanto, essa condição de vazão não deve ser
utilizada.
Ao contrário do que foi observado por Baig et
al., (2011), em que o tratamento proporcionou
ligeira elevação no valor do pH inicial da água, de
apenas 1%. Os BSF modificados neste estudo,
provocaram redução no valor de pH após a filtração da água sintética. Quando areia grossa foi
utilizada como parte do meio de filtração esse
aumento foi maior do que quando foi utilizado
areia fina, além disso, houve um aumento ao longo do tempo para ambos os filtros modificados.
Para a modificação com casca de café, a elevação em relação ao pH da água sintética foi de
25% na primeira etapa e 7 % na segunda fase,
sendo a média de pH de 6 nas duas fases, enquanto que para a casca de pinus essa redução
foi menos acentuada, na primeira fase, reduziu
em 16% o pH inicial da água e na última etapa
essa porcentagem foi de apenas 3%, sendo os
valores médios de 6,5 e 7,0 unidades de pH, respectivamente. Enquanto que o BSF convencional
não provocou alteração no valor deste parâmetro.
Esse comportamento talvez possa ser devido a
composição química da casca de café, uma vez
que este material apresenta caráter ácido, com
um pH de 5,9 de acordo com Zoca (2012). Mesmo com as variações de pH, os efluentes não
apresentaram valores fora da faixa de neutralidade permitida pela legislação, acima de 6 unidades
de pH (Brasil, 2011). A figura 4 apresenta o comportamento dos filtros modificados com os vegetais ao longo do estudo para este parâmetro.
Figura 4 – pH do filtrado para tratamento empregando-se filtro de areia recheado com casca de café (A) e com casca de pinus (B).
A temperatura da água antes e após cada tratamento também foi monitorada, no entanto, não
foram obtidas variações significativas para nenhum dos tratamentos utilizados. Na primeira etapa do estudo a temperatura média da água bruta
sintética foi de 27,3°C e a dos efluentes dos filtros
modificados com casca de café e pinus de 27,2°C
e 27,0°C, respectivamente, na segunda etapa a
temperatura da água bruta sintética foi de 26,1°C
enquanto que a do efluente do BSF de casca de
café não passou de 26,0°C e na última etapa do
estudo, quando a temperatura ambiente estava
menor, o valor medido para a água bruta sintética
foi o mesmo para a água filtrada pelo sistema de
casca de pinus, 23,5°C.
Os parâmetros químicos analisados foram
cloretos, dureza e nitrogênio amoniacal. Os filtros
modificados com casca de pinus provocaram modesta redução nos valores de cloretos e dureza
da água bruta, mas em grande parte das análises
a biomassa não conferiu alteração nesses parâmetros, enquanto que os efluentes do sistema
modificado com casca de café apresentaram concentração de cloretos menor do que da água bruta sintética. Por outro lado, os níveis de dureza
foram elevados ao serem tratados com filtro de
areia com casca de café, como pode ser observado na figura 5.
Figura 5 – Níveis da dureza do filtrado obtido.
O nível de nitrogênio amoniacal dos efluentes,
em geral, foi superior ao da água bruta sintética
em praticamente todos os tratamentos. A figura 6
mostra o a variação média de nitrogênio amoniacal devido a filtração com BSF de casca de café.
Figura 6 – Concentração de nitrogênio amoniacal.
Os valores apresentados são da segunda parte do estudo, onde se pode observar que em todas as amostragens o valor de nitrogênio amoniacal do efluente tratado com filtro modificado com
a casca de café, foi maior do que o da água bruta
sintética. Vale ressaltar, que na primeira fase es-
se aumento foi menor. Incialmente a concentração média de nitrogênio amoniacal da água bruta
sintética era de 0,12 mg.L-1, passando para 0,17
mg.L-1 após todo o período de tratamento com o
filtro de areia e casca de café, enquanto que a
presença da casca de pinus no filtro não provocou
alteração deste parâmetro nesta parte do trabalho. O que provavelmente se deve a composição
química dos materiais, a concentração de nitrogênio total da casca de café é de 18,8 g.kg-1
(Brandão, 1999), enquanto que da casca de pinus
é de, aproximadamente, 5 g.kg-1 (Silva et al.,
2009).
Também foi realizada uma análise de carbono
total da água, assim como para os níveis de nitrogênio, os valores deste parâmetro do efluente do
filtro modificado com casca de café, foram superiores ao do efluente tratado com casca de pinus,
enquanto que o primeiro uma elevação acima de
90% foi registrada, para a biomassa de pinus esse aumento foi de apenas 25%.
Os resultados obtidos com o tratamento de
BSF modificado com casca de café, concordam
com os encontrados por Lo Mônaco et al., (2011),
cujos valores de condutividade elétrica, sólidos
totais, nitrogênio total e outros contaminantes da
água residuária de cafeicultura também foram
elevados ao serem tratados com filtros constituídos por casca de pergaminho de café.
O principal objetivo do estudo era verificar se a
modificação na estrutura dos filtros e a utilização
das biomassas seriam capazes de diminuir a presença de contaminantes biológicos do grupo coliformes, da água sintética. Porém, nenhum dos
filtros utilizados, nem mesmo os de areia conseguiram reduzir a concentração inicial de coliformes da água, ao invés disso, provocaram a contaminação da água filtrada. A Tabela 1 apresenta
alguns valores observados deste parâmetro.
Tabela 1 – Concentração de coliformes antes e
após os tratamentos.
Tempo
Antes
Após
Filtro
(dias)
(UFC/100mL)
(UFC/100mL)
C1
1,1×103
7,6×102
0–7
P1
1,1×103
4,8×102
2
A1
4,0×10
8,4×102
C1
1,6×102
7,6×102
7 – 14
P1
1,6×102
1,2×102
2
A1
2,0×10
2,8×102
C1
1,6×102
1,7×103
2
14 – 21
P1
1,6×10
5,7×104
A1
2,4×102
2,4×102
C1
< 8,0×101
7,2×102
1
21 – 28
P1
< 8,0×10
5,6×102
A1
2,4×102
1,6×102
Isso pode ter sido causado, porque no processo tradicional de filtração lenta é necessário
fazer a remoção da camada superficial de areia,
onde os micro-organismos ficam retidos, essa
limpeza deve ser realizada periodicamente a depender das condições de operação, e isso não foi
realizado neste estudo, até porque era um dos
objetivos do mesmo, analisar o comportamento
dos filtros nessa situação.
CONCLUSÃO
A modificação proposta para o sistema de filtração de pequena escala, utilizando cascas de
vegetais, sem tratamento prévio e sem a realização periódica de limpeza da camada superficial
de areia dos filtros, não apresentou vantagem em
relação ao filtro convencional de areia e, além
disso, promoveu a contaminação da água devido
ao arraste de partículas.
No entanto, mesmo assim, as biomassas utilizadas foram capazes de reduzir a concentração
de alguns dos parâmetros analisados. A casca de
pinus apresentou melhores porcentagens de redução nos valores de turbidez e cor, do que a
casca de café, provavelmente devido à estrutura
superficial do material que apresenta maior quantidade de poros. A introdução de biomassa de
café também provocou redução no valor de pH e
cloretos, enquanto que a dureza e CE iniciais da
água foram elevados. Comportamento parecido
foi observado para a modificação com casca de
pinus, redução nos níveis de cloretos, pH, no entanto dureza e CE foram aumentadas. Ambos os
materiais conferiram aumento nos níveis de carbono total e nitrogênio amoniacal da água tratada
e nenhum deles provocou redução na concentração de coliformes.
Sendo assim, os materiais testados não devem ser empregados para o uso em tratamento
de água para consumo humano, porém, o uso de
casca de pinus, se mostra eficiente para melhoria
das condições da água num tratamento a nível
primário, por exemplo, para redução de turbidez e
cor, a depender do destino que se queria dar a
esse filtrado, sendo necessárias operações posteriores de desinfecção.
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57f.

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