estudo da influência do material de enchimento na remoção de
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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