Estimativa do balanço de carbono em wetlands construídos verticais saturados: protocolo de medição dos gases e avaliação do impacto do regime de alimentação

Abstract

Os wetlands construídos constituem uma solução baseada na natureza para o tratamento de esgotos domésticos. Entretanto, esses sistemas também podem emitir gases de efeito estufa (GEE), principalmente dióxido de carbono (CO₂) e metano (CH₄), o que pode comprometer seu potencial como sumidouros de carbono. Entre as diferentes configurações, os wetlands construídos verticais de fundo saturado (WCV FS) apresentam maior potencial de emissão devido à alternância entre zonas aeróbias e anaeróbias. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo realizar uma estimativa preliminar do balanço de carbono de duas unidades de WCV-FS da estação experimental do Grupo de Estudos em Saneamento Descentralizado (GESAD), localizada em Florianópolis (SC), avaliando a influência de diferentes regimes de alimentação. Para isso, foi desenvolvido um protocolo de monitoramento das emissões gasosas adaptado aos sistemas estudados. As emissões de CO₂ e CH₄ foram determinadas pelo método das câmaras estáticas de fluxo, baseado na variação da concentração dos gases em uma câmara de 73 L posicionada sobre uma área de 0,22 m² do wetland construído. Em razão das dimensões da câmara, foram avaliadas apenas as emissões difusas provenientes da superfície do leito. As concentrações de CO₂ e CH₄ foram medidas por meio de dois sensores distintos, enquanto o carbono orgânico afluente e efluente foi estimado a partir das análises mensais de demanda química de oxigênio (DQO) realizadas na estação desde o início de sua operação, em 2015. Os resultados preliminares indicaram uma entrada de carbono orgânico total (COT) de 833 ± 389 gC·m⁻²·d⁻¹ e uma saída de 67 ± 64 gC·m⁻²·d⁻¹ para a unidade FS1, enquanto a unidade FS2 apresentou uma saída de 77 ± 46 gC·m⁻²·d⁻¹. Em relação às emissões de CO₂, ambas as unidades apresentaram fluxo líquido médio próximo de zero (0,00 gC·m⁻²·d⁻¹), indicando que a absorção de carbono compensou as emissões durante os dias avaliados, caracterizando os sistemas, nesse período, como neutros em relação às emissões de CO₂. As emissões de CH₄ permaneceram abaixo do limite de detecção do equipamento, correspondendo a um fluxo máximo estimado de 21 gC·m⁻²·d⁻¹ nas condições de medição. Dessa forma, sua contribuição foi estimada por meio de uma regressão linear desenvolvida neste trabalho a partir de quatro dados experimentais disponíveis na literatura (R² = 0,83), resultando em uma emissão potencial de 3,58 ± 1,67 gC·m⁻²·d⁻¹ para ambas as unidades. Considerando essa estimativa, o armazenamento líquido de carbono foi de aproximadamente 735 ± 351 gC·m⁻²·d⁻¹ para a unidade FS1 e 725 ± 369 gC·m⁻²·d⁻¹ para a unidade FS2. Embora limitações operacionais e falhas nos equipamentos tenham restringido a obtenção de resultados conclusivos sobre a influência do regime de alimentação, o estudo permitiu estabelecer uma metodologia de monitoramento, elaborar uma estimativa preliminar do balanço de carbono e desenvolver um modelo inicial para estimativa das emissões de CH₄, constituindo uma base para futuras pesquisas.

Constructed wetlands represent a nature-based solution for treating domestic wastewater. However, these systems can also emit greenhouse gases (GHGs), mainly carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄), which may compromise their potential as carbon sinks. Among the different configurations, vertical flow constructed wetlands with saturated bottom (VFCW-SB) have the greatest emission potential due to the alternation between aerobic and anaerobic zones. In this context, this work aimed to perform a preliminary estimate of the carbon balance of two VFCW-SB units at the experimental station of the Decentralized Sanitation Studies Group (GESAD), located in Florianópolis (SC), while evaluating the influence of different feeding regimes. To achieve this, a gas emission monitoring protocol adapted to the studied systems was developed. CO₂ and CH₄ emissions were determined using the static flow chamber method, based on the variation in gas concentration in a 73 L chamber positioned over a 0.22 m² area of the constructed wetland. Due to the chamber's dimensions, only diffuse emissions from the bed surface were evaluated. CO₂ and CH₄ concentrations were measured using two separate sensors, while influent and effluent organic carbon was estimated from monthly chemical oxygen demand (COD) analyses conducted at the station since the start of its operation in 2015. Preliminary results indicated a total organic carbon (TOC) input of 833 ± 389 gC·m⁻²·d⁻¹ and an output of 67 ± 64 gC·m⁻²·d⁻¹ for unit FS1, while unit FS2 showed an output of 77 ± 46 gC·m⁻²·d⁻¹. Regarding CO₂ emissions, both units showed an average net flux close to zero (0,00 gC·m⁻²·d⁻¹), indicating that carbon absorption offset emissions during the evaluated days, characterizing the systems, during this period, as neutral with respect to CO₂ emissions. CH₄ emissions remained below the equipment's detection limit, corresponding to an estimated maximum flux of 21 gC·m⁻²·d⁻¹ under the measurement conditions. Therefore, its contribution was estimated using a linear regression developed in this work from four experimental data available in the literature (R² = 0,83), resulting in a potential emission of 3,58 ± 1,67 gC·m⁻²·d⁻¹ for both units. Considering this estimate, the net carbon storage was approximately 735 ± 351 gC·m⁻²·d⁻¹ for the FS1 unit and 725 ± 369 gC·m⁻²·d⁻¹ for the FS2 unit. Although operational limitations and equipment failures restricted the obtaining of conclusive results on the influence of the feeding regime, the study allowed the establishment of a monitoring methodology, the elaboration of a preliminary estimate of the carbon balance, and the development of an initial model for estimating CH₄ emissions, constituting a basis for future research.