palestra ucdb - campo grande
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APLICAÇÃO DE WETLANDS
CONSTRUÍDOS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS
Prof. Pablo H. Sezerino
Wetlands - conceitos
• Ecossistema de transição entre ambientes aquáticos e terrestres;
Fonte: http://institutoterramax.blogspot.com.br
Fonte: http://institutoterramax.blogspot.com.br
Wetlands - Classificações
Fonte: Adaptado de Vymazal e Kropfelová, (2008)
Wetlands Superficial
Wetlands subsuperficial Horizontal - WCFH
1) afluente; 2) macrófitas; 3) impermeabilização; 4) zona de entrada; 5) tubulação de alimentação; 6) material filtrante; 7) sentido do fluxo; 8) zona de saída; 9) tubulação de coleta; 10) controlador de nível.
a) escavação no solo; b) impermeabilização; c) assentamento do material filtrante; d) FPMH pós-plantio; e) FPMH em janeiro de 2012; f) FPMH em agosto de 2012.
Wetlands subsuperficial Vertical -WCFV
1) afluente; 2)macrófitas; 3)material filtrante; 4) tubulação de alimentação; 5) sentido do fluxo; 6) tubulação de coleta; 7) impermeabilização; 8) controlador de nível; 9) efluente final.
a) escavação no solo; b) impermeabilização com lona; c) assentamento de manta de poliéster; d) primeira camada de brita utilizada na confecção do material filtrante; e) detalhe da tubulação de coleta do efluente; f) areia distribuída no WCFV; g) detalhe da última camada de brita; h) término do assentamento do material filtrante; i) WCFV plantado.
Sistemas Híbridos
Fonte: Adaptado de Vymazal e Kropfelová, (2008)
Critérios essenciais - impermeabilização
Elementos atuantes
Material filtrante
Macrófitas
Micro-organismos
Material filtrante
Qual é a função do material filtrante ? Quais os critérios devemos considerar ?
Qual escolher ?
Material filtrante – Funções:
Filtração Suporte
desenvolvimento biofilme
Suporte desenvolvimento
macrófitas
Local de desenvolvimento
das reações bioquímicas
Material filtrante – Características
Boa condutividade
hidráulica
Adsorção de compostos inorgânicos
N-NH4
P-PO43-
Manter o fluxo até a zona de saída do efluente
Material filtrante
• Areia: possuem um ótimo potencial de fluxo, porém, nenhuma, ou muito pouca, capacidade adsortiva;
• Argilas: possuem alto potencial de adsorção, mas são praticamente impermeáveis.
A escolha do tipo deste material filtrante a ser empregado está, portanto, condicionada às finalidades do tratamento.
Material filtrante
Recomendações : Literatura internacional: (d10) superior ou igual a 0,20mm; (U) menor ou igual a 5 unidades; (Ks), maior ou igual a 10-4m/s (≥ 10-2cm/s ou ≥ 0,36m/h). (NBR 13969/97 – ABNT, 1997) = d10 entre 0,25mm e 1,20mm ; U < 4
Material filtrante - Cuidados
Macrófitas
Qual é a função das macrófitas? Qual espécie escolher ?
Fonte: http://www.northcreeknurseries.com
Macrófitas - Definição
Macrófitas aquáticas
Organismos que vivem desde em ambientes úmidos até ambientes saturados de água;
Tundisi e Tundisi, (2008)
Luz + Água + nutrientes
Grande produtividade vegetal e atividade heterotrófica
Alta capacidade de decomposição de matéria orgânica e outros componentes
Macrófitas - Definição
• Flutuantes • Submersas • Emergentes
Fonte: Thomaz e Bini (2003)
Macrófitas – fluxo subsuperfical
Typha
Papirus
Juncus
Phragmites
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Macrófitas
Macrófita
Profundidade das
raízes (m)
Crescimento (m)
Phragmites australis 0,6 a 1 0,5 a 8 – rápido e denso
Typha spp. 0,3 a 0,4 0,5 a 4 – rápido e denso
Juncus spp 0,6 a 1 0,5 a 4 – variado e moderado
Características fisiológicas das principais macrófitas empregadas nos wetlands
Macrófitas - Funções
o Aumento na retenção de sólidos:
Presença de raízes e/ou rizomas:
melhor distribuição e redução na velocidade do escoamento da água residuária;
melhores condições para sedimentação de SST e aumento no tempo de contato entre a água e as raízes das plantas.
Macrófitas - Funções
o Facilitam as trocas gasosas no meio:
• As macrófitas, podem facilitar a entrada de O2 e a saída de
• CH4, CO2, N2O e H2S do sistema;
* Transferência de O2 de (0, 02 g O2 /m².d; (Kadlec e Knight,1996) )
* Liberação de exsudados
Aumento de colonização de bactérias
Macrófitas - Funções o Absorvem nutrientes do meio:
• Assimilam N e P do meio para seu desenvolvimento
• Eficiência do sistema em relação ao desenvolvimento da planta:
Fase do crescimento: altas taxas de absorção - máxima eficiência;
Senescência: translocação de parte dos nutrientes para os rizomas e as raízes de onde podem ser exsudados - diminuição na eficiência;
Após a morte: degradação do material orgânico, com re-disponibilização dos poluentes - eficiência negativa.
Macrófitas - Funções o Proporcionar habitat para vida silvestre e agradável aspecto estético :
Fonte: campos et. al. 2013 Fonte: Ferreira et. al. 2013
Macrófitas - Características 1 – A macrófita deve ser tolerante a ambientes com excesso de água/salino ou até mesmo ambientes com pouca água;
2- Rapidez no crescimento;
3- Formação de volumosos sistema radicular;
4- Grande produtividade de biomassa;
5- Não serem invasoras;
6- Facilidade de manejo;
7 – Possibilidade de reutilização;
Macrófitas
Mas afinal, qual macrófita escolher ?
Além das características citadas, a macrófita a ser escolhida deve ser adaptada à região;
Estética;
Agregação de valor à biomassa vegetal após poda...
PERFORMANCES DE TRATAMENTO 100 trabalhos publicados no BR entre 1999-2011
Macrófitas
Macrófitas - Plantio
Micro-organismos
•Material filtrante
•Efluente
•Rizosfera
Presentes:
Literatura: Utilizando areia como material filtrante, aproximadamente 90% da atividade microbiana se concentra nos 10 primeiros cm da areia.
Partículas do material filtrante
Biofilme de microorganismos
NO3
H S2
NO2
Ácidosorgânicos DBO
OD
Esgoto
Biofilme
Aeróbio
Anaeróbio
Rizoma / raízes
Micro-organismos
Bactérias
Protozoários
Micrometazoários
Principais grupos
Fon
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Micro-organismos
Micro-organismos Função
Bactérias Oxidação da matéria carbonácea;
Nitrificação e Desnitrificação;
Protozoários Clarificação do efluente;
Degradação da matéria orgânica;
Produção de polissacarídeos contribuindo na floculação do material suspenso;
Mantêm o equilíbrio ecológico do sistema;
Redução da produção do lodo através da ingestão de bactérias floculadas
Indicação da qualidade do efluente final;
Micrometazóarios Contribuem para a manutenção da população de bactérias saudáveis;
Diminuem a turbidez do efluente;
Atuam na recirculação de nutrientes;
Aumentam a penetração do oxigênio;
Contribuem na biofloculação;
Auxiliam na redução de DBO;
Favorecem o balanço ecológico do sistema
Papel dos micro-organismos no tratamento de efluentes
Mecanismos de depuração
Águas Residuárias
Material carbonáceo
Sólidos Nutrientes Patógenos
Material sólido
O ideal é realizar a remoção de uma parcela do material sólido em um tratamento primário;
Porque ?
Filtro entope !!!!
• Qual é a carga de SS que podemos aplicar nesses sistemas ?
Com o passar do tempo, a condutividade hidráulica tende a ser reduzida até que ocorra a colmatação completa do filtro.
Fon
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on
Sp
erlin
g,2
01
3
Fon
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g,2
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Deposição de SS no material filtrante
Produção da biomassa e excreção de substâncias pelos micro-organismos
Precipitação química e deposição nos sólidos
COLMATAÇÃO
Depuração da matéria carbonácea
• Aeróbia:
CHONP + O2 + bactérias → CO2 + H2O + novas células
Geralmente essas condições ocorrem nos sistemas de fluxo vertical;
• Anaeróbia:
Matéria orgânica + bactérias → álcool, ácidos e novas células → bactérias →CH4,H2S,NH3,CO2,H2O,novas células
Geralmente essas condições ocorrem nos sistemas de fluxo horizontal;
Transformações do nitrogênio
Fonte: Adaptado Cooper et al, 1996
Transformações do N em wetlands
Adsorção pelo material filtrante
Assimilação pelas macrófitas
Transformações bioquímicas por micro-organismos
Remoção de P
• Precipitação, Adsorção e Sedimentação;
• As reações de adsorção e precipitação ocorrem quando há presença no material filtrante de minerais como o cálcio, alumínio e o ferro, estas reações são controladas pela interação do pH e potencial redox com os minerais presentes, bem como a área superficial dos grãos
Comportamento de um WCFH na remoção de ortofosfato ao longo de 1 ano de monitoramento
Remoção de P
Assimilação de P macrófitas
Dias após a poda WCFH Dias após a poda WCFV
P (g/Kg) P (g/Kg)
44
58
92
105
133
150
5,43
6,55
3,42
2,44
2,50
2,65
41
92
108
-
-
-
2,77
2,15
2,44
-
-
-
Teores de P no tecido foliar da macrófita Typha domingenis Pers ao longo do seu crescimento
tKCo
CeT exp
onde: Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg.L-1) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg.L-1) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem – dependente da temperatura T (d-1) t = tempo de retenção hidráulico (d)
(i) Modelos oriundos da cinética de primeira ordem aplicável aos reatores tipo pistão:
npK
CeCoQA
T
lnlnonde: A = área superficial requerida (m2) Q = vazão afluente (m3.d-1) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg.L-1 = g.m-3) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg.L-1 = g.m-3) KT = obtida pela equação 3 (d-1) n = porosidade do material filtrante (m3 vazios.m-3 material) p = profundidade média do filtro (m)
Dimensionamento WCFH
Dimensionamento WCFV (i) Balanço de Oxigênio (Platzer, 1999):
Balanço O2 - equações:
demanda O2 (g/d) = (0,85 * 0,7 * DQOaflu) + (4,3*NTKaflu) - (0,1*2,9*NTKaflu)
convecção O2 (g/d) = 0,3*Q*1000
difusão O2 (g/d) = 1* área prevista * [24 - (1,5 * núm aplicações)]
balanco = convecção O 2 (g/d) + difusão O 2 (g/d) - demanda O 2 (g/d) > 0
Aplicação intermitente (3 vezes ao dia; de 8 em 8hs)
Taxa hidráulica = 230 mm/d
40 gDQO/m2.d
15 gSS/m2.d
12 gNTK/m2.d
Areia (d10 = 0,20mm; U = 4,9) – profundidade de 60cm
4 mudas Typha domingensis/m2
Relação de 1,2 m2/pessoa
(ii) Carregamento superficial (Sezerino, 2006)
Dimensionamento WCFV
WC HORIZONTAL
- remoção de 90% de DBO5; - remoção de 90% de SS; - remoção de 20% de amônia; - remoção de 30% de fósforo.
Para relação ͌ 2 m2/pessoa
POSSIBILIDADES
100 trabalhos publicados no BR entre 1999-2011
Limites X Possibilidades
WC HORIZONTAL
Carga transversal aplicada de no máximo
16 gSS.m-2seção transversal.d
-1, para a manutenção de remoções
superiores a 65% e 80% para DQO e SS, respectivamente
LIMITES
Colmatação !
Limites X Possibilidades
WC HORIZONTAL Colmatação !
Limites x Possibilidades
WC VERTICAL
pH = 6,29 ± 0,35
DQO = 72%
NH4-N = 78% com nitrificação de 73%
SS = 70% de remoção
Para relação ͌ 1,2 m2/pessoa POSSIBILIDADES
Critérios de Sezerino (2006)
Limites x Possibilidades
WC VERTICAL
Remoção de Fósforo LIMITES
0,032
0,146
0,014
0,09
y = 0,0059e0,0455x
R2 = 0,984
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0 10 20 30 40 50 60 70 80
concentração de PO4-P (mg/L)
Massa a
dso
rvid
a (m
g d
e P
O4-P
/g a
reia
seca)
Remoção de Coliformes
Curva de adsorção de fósforo dissolvido reativo obtida com ensaio junto a areia
Limites x Possibilidades
