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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

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