estudo da influência do material de enchimento na remoção de

UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA

FACULDADE DE CINCIAS E TECNOLOGIA

Departamento de Cincias e Engenharia do Ambiente

Estudo da Influncia do Material de Enchimento na Remoo de Matria Orgnica, Azoto e Slidos em

Leitos de Macrfitas do Tipo ESSH

Por Jos Miguel Oliveira

Dissertao apresentada na Faculdade de Cincias e

Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obteno

do grau de Mestre em Engenharia Sanitria.

Orientador: Professor Doutor Antnio Albuquerque

Co-orientador: Professora Doutora Leonor Amaral

LISBOA 2008

Agradecimentos

Pg. ii

Agradecimentos

Ao Prof. Albuquerque, uma verdadeira fora da natureza, pela boa disposio, pelos

inmeros apoios, pela motivao, pela competncia na transmisso de

conhecimentos, pela disponibilidade demonstrada para discutir as matrias em estudo

e pela capacidade que possui de nos conseguir levar sempre mais longe.

Agradecer Prof. Leonor que apesar da distncia esteve sempre presente, pelo

incentivo, pelos comentrios e reparos sempre pertinentes e pelo gosto que me incutiu

enquanto aluno, por estas coisas da Eng. Sanitria.

MAXIT S.A. por ter cedido o material de enchimento utilizado no leito

(Filtralite NR 4-8).

Fundao para Cincia e Tecnologia, atravs do projecto PTDC/AMB/73081/2006,

por ter permitido o financiamento de equipamentos, reagentes e material de laboratrio

utilizados nos ensaios.

Cidlia minha amiga e colega de laboratrio o meu bem-haja pela disponibilidade e

pela ajuda.

minha Famlia pelo apoio demonstrado ao longo deste trabalho, em especial

minha me por ter sempre acreditado e incentivado quando precisava.

Catarina, pela pacincia e compreenso, das muitas horas que passei longe, e pelo

alento e carinho incondicional que me acompanharam sempre durante a execuo

deste trabalho.

Resumo

Pg. iii

Resumo

Os leitos de macrfitas de escoamento sub-superficial e horizontal (LM-ESSH) so

muito utilizados para o tratamento de guas residuais domsticas de pequenos

aglomerados no interior de Portugal.

O meio de enchimento, essencial para a fixao das plantas e para o desenvolvimento

de biofilme com capacidade para a remoo de substratos, influncia a eficincia de

tratamento. O crescimento excessivo de biomassa, a acumulao de matria slida

em suspenso, a formao de precipitados e o desenvolvimento de rizomas e de

razes podem contribuir para a colmatao do leito e, portanto, para a diminuio do

volume disponvel para escoamento e da capacidade de filtrao.

O objectivo principal do trabalho centrou-se no estudo do desempenho de dois tipos

de materiais de enchimento (um natural - brita; outro sinttico - argila expandida

calcinada) na remoo de matria orgnica, formas de azoto e matria slida, ao

longo do leito e no tempo, num LM-ESSH laboratorial, colonizado com Phragmites

australis.

Realizaram-se duas Fases de ensaios, a primeira com brita, que incluiu trs Sries de

ensaios, cada uma com seis ensaios; a segunda com Filtralite (argila expandida

calcinada fornecida pela Maxit SA), que incluiu trs Sries de ensaios, cada uma com

cinco ensaios. As duas primeiras Sries de cada Fase foram realizadas com efluente

sinttico base de acetato de sdio (300 mg CQO.L-1) e cloreto de amnio (30 mg N-

NH4.L-1); as duas segundas Sries de cada Fase com efluente sinttico base de

acetato de sdio (300 mg CQO.L-1) e nitrato de potssio (30 e 100 mg N-NO3.L-1) e as

duas ltimas Sries de cada Fase com efluente domstico de tratamento primrio.

Todos os ensaios foram realizados carga hidrulica de 1,510-3 m3.m-2.h-1 (cerca de

3,5 cm.d-1).

Para o perodo de ensaios adoptado para cada Srie (cerca de um ms), a utilizao

de brita permitiu obter taxas de remoo superficial de matria orgnica, amnio,

nitrato e matria slida inferiores s observadas noutros estudos internacionais. A

utilizao de Filtralite, pelo contrrio, permitiu obter taxas de remoo superficial que,

para a generalidade dos parmetros, superaram as obtidas nos estudos onde foi

utilizada brita, inclusive para perodos de operao muito mais longos.

Resumo

Pg. iv

Independentemente do tipo de material utilizado, o efluente final de tratamento de

guas residuais domsticas apresentou caractersticas em conformidade com os

limites de descarga definidos na legislao vigente, com valores mais baixos nos

ensaios com a Filtralite. Assim, admite-se que este material apresente caractersticas

mais favorveis a um rpido desenvolvimento de biofilme capaz de, num curto espao

de tempo, apresentar eficincias de remoo e taxas de remoo de matria orgnica,

amnio, nitrato e matria slida elevadas.

A remoo de matria orgnica, amnio, nitrato e SST ocorreu, essencialmente, no

troo inicial do leito. A matria orgnica e amnio tero sido removidos essencialmente

em ambiente aerbio atravs de microrganismos heterotrficos aerbios e autotrficos

nitrificantes, respectivamente. Contudo, os resultados obtidos com efluente sinttico

sugerem terem ocorrido outros mecanismos de remoo, como a oxidao anaerbia

autotrfica de amnio.

Independentemente do tipo de material utilizado, na presena de efluentes com

substratos orgnicos de constituio complexa ou substratos orgnicos simples e

razo C/N-NO3 prxima da unidade, o nitrato ter sido removido essencialmente por

desnitrificao. Contudo, para a razo C/N-NO3 de 4, os resultados obtidos sugerem

terem ocorrido mecanismos alternativos de remoo de nitrato, no envolvendo a

utilizao de carbono orgnico, como a desnitrificao autotrfica.

Observou-se uma relao linear entre a carga orgnica aplicada e a carga orgnica

removida (rCQO) e entre as cargas de azoto aplicadas e as cargas de amnio (rNH4) e

nitrato (rNO3) removidas, que, para a Filtralite e no tratamento do efluente domstico,

apresentaram coeficientes de correlao superiores a 0,90. Independentemente do

tipo de material utilizado, na presena substratos de constituio complexa, a carga

orgnica e a carga de azoto parecem influenciar as respectivas taxas de remoo.

A capacidade de filtrao do leito no foi afectada durante o perodo de ensaios e os

resultados sugerem que a carga de slidos aplicada no teve efeito significativo na

remoo de matria slida em suspenso.

Palavras-chave: leito de macrfitas, brita, argila expandida, remoo carbonada, nitrificao, desnitrificao, remoo de slidos.

Abstract

Pg. v

Abstract

Horizontal subsurface flow constructed wetlands are widely used for wastewater

treatment in Portugal, especially for small population areas.

The media bed is essential for plant anchorage and biofilm development and does

affect the treatment yield. The continuous growth of roots, the adsorption,

sedimentation and precipitation of wastewater compounds and the biofilm release over

operation time leads to the development of clogging, which affects solutes distribution

throughout the bed and, therefore, may worsen the overall performance of the system.

The main objective of the work was to evaluate the effect of two different bed materials

(a natural gravel; and synthetic expanded clay) on the removal of organic matter,

nitrogen forms and solid matter, over time and throughout the bed, in a laboratory

prototype.

In order to enable a better understanding of the removal mechanisms throughout the

bed, two Phases of assays were developed. The first Phase included gravel bed and

three Series of assays, each one with six assays; the second Phase included Filtralite

NR (a commercial expanded clay developed by Maxit SA) and three Series of assays,

each one with five assays. The first two Series of each Phase were carried out with

synthetic effluent based on sodium acetate (300 mg COD.L-1) and ammonia chloride

(30 mg N-NH4.L-1); the second two Series of each Phase with synthetic effluent based

on sodium acetate (300 mg COD.L-1) and potassium nitrate (30 e 100 mg N-NO3.L-1)

and the last two Series of each Phase with primary treated domestic effluent. The

hydraulic loading was 1.510-3 m3.m-2.h-1 (around 3.5 cm.d-1).

For the period used for each Series of assays (one month) the use of gravel did allow

obtaining lower area removal rates of organic matter, ammonia, nitrate and solid matter

than the ones observed in other international studies. The use of Filtralite allowed

obtaining removal rates for all parameter higher than the ones observed in all consulted

studies with gravel. The final effluent, for both materials, presented characteristics

compatible with the discharge limits imposed by European and national legislation, with

low values for the effluent treated with Filtralite. It seems that this last material present

more favourable characteristics for a quickly biofilm development and, therefore, may

Abstract

Pg. vi

lead to a quickly start up of reactors and to achieve high removal efficiencies in a short

time period of operation.

The removal of organic matter, ammonia, nitrate and TSS presented higher rates in the

first bed section. The organic matter and ammonia were removed mainly in aerobic

conditions through hetertrophs and nitrifiers, respectively. However, the results with

synthetic effluent showed that other mechanism should have occ