1
CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM WETLAND CONSTRUÍDO
NA ETAPA DE POLIMENTO FINAL DE UMA ESTAÇÃO
COMPACTA DE TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
Alexandre Batista Machado de Souza
Lajeado, Novembro de 2015
2
Alexandre Batista Machado de Souza
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE UM WETLAND CONSTRUÍDO
NA ETAPA DE POLIMENTO FINAL DE UMA ESTAÇÃO COMPACTA
DE TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
Monografia Apresentada na disciplina de Trabalho
de Conclusão de Curso II, na linha de formação
específica em Engenharia Ambiental, do Centro
Universitário Univates, como parte da exigência
para a obtenção do título em Engenheiro Ambiental.
Orientador: Prof. Me. Maria Cristina de Almeida
Silva
Lajeado, Novembro de 2015
3
AGRADECIMENTOS
Agradeço à minha família pela compreensão e apoio em todos os momentos que
precisei, em especial minha esposa e ao meu filho.
Também agradeço em especial a minha professora orientadora Maria Cristina de
Almeida Silva, por sua dedicação e por estar sempre prestativa a me ajudar e orientar de
maneira clara e eficiente em todos momentos que necessitei.
À colega e amiga de trabalho Laura Brum Closs, que sempre confiou em minha
competência e na realização deste trabalho.
À empresa Imojel Construtora e Incorporadora Ltda, que forneceu todos os dados
necessários para execução de meu projeto, delegando desde 2013 a responsabilidade técnica
do empreendimento como Químico Industrial responsável, até os dias atuais.
A banca avaliadora pela disposição em avaliar o presente trabalho, com o intuito da
obtenção do título de Engenheiro Ambiental.
E, em especial, a todos aqueles que estiveram envolvidos nesta caminhada até este
momento, amigos, colegas, familiares que formam o que sou e o que se reflete no que construí
nas próximas linhas.
4
RESUMO
O tratamento do esgoto sanitário, antes do seu lançamento em qualquer corpo hídrico, tem
como objetivo impedir o contato dos despejos (resíduos e dejetos humanos) com a população,
com a água de abastecimento e irrigação de alimentos, inibindo vetores patogênicos e
reduzindo custos médico-hospitalares, além de controlar a poluição e manter o ambiente
sustentável. Há soluções para a retirada do esgoto e dejetos ainda que o fornecimento de água
não seja canalizado.Outra importante razão para tratar os esgotos é a preservação do meio
ambiente. As substâncias presentes no esgoto exercem ação deletéria nos corpos de água: a
matéria orgânica pode diminuir a concentração de oxigênio dissolvido provocando a morte de
peixes e outros organismos aquáticos, escurecimento da água e exalação de odores
desagradáveis.Este trabalho teve como objetivo avaliar a eficiência de um Wetland
Construído (WC), de fluxo horizontal subsuperficial. O sistema está localizado em um
condomínio residencial, composto por cinco prédios, totalizando 80 famílias e população total
de aproximadamente 320 pessoas, na cidade de Lajeado - RS. O WC recebe o efluente de uma
Estação Compacta de Tratamento de Esgoto Doméstico, que consiste em tratamento
preliminar, do tipo gradeamento e caixa desarenadora, e tratamento biológico, constituído por
Reator UASB e Filtro Anaeróbio. O projeto está dimensionado para um tempo de detenção
hidráulica de aproximadamente 5 dias no WC, onde após esta etapa o efluente é clorado numa
caixa de desinfecção, antes de ir para o corpo receptor . As amostragens foram realizadas na
entrada e na saída da Wetland, com periodicidade inicial semanal e posteriormente mensal,
entre os anos de 2011 e 2014. No decorrer dos anos de 2011 até 2014, o efluente tratado
apresentou valores percentuais médios de redução: DQO até 76,5%, DBO5 até 70,3%, SST
até 90,3%, turbidez até 88,3% , coliformes totais até 40,7%, coliformes termotolerantes até
61,3%, fósforo total até 71,5%, NTK até 64,8% e nitrogênio amoniacal até 64,6%. O efluente
final apresentou no decorrer do período de estudo comportamentos distintos quanto à redução
dos parâmetros. Houve perda considerável de rendimento principalmente na redução dos
parâmetros relacionados a nutrientes e boa eficiência e estabilização frente aos demais
parâmetros, principalmente quanto a DBO, DQO SST e turbidez.O presente estudo mostrou
que Wetlands horizontais de fluxo subsuperficial construídas podem efetivamente atuar como
polimento final de efluentes de reatores anaeróbios, sendo capazes de atingir a maioria dos
padrões de lançamento exigidos pela legislação ambiental em vigor.
Palavras-chave: esgoto sanitário, reatores UASB, wetlands construídos.
5
ABSTRACT
The sewage treatment before its discharge into any hydrous body of water has the aim of
prevent the contact between waste (human residue and waste) with the population, water
supplies and crop irrigation, therefore inhibiting pathogenic vectors and reducing medical-
hospital care costs, besides promoting pollution control and sustainable environment. There
are solutions for the withdrawal of sewage and waste even if the water supply is not piped.
Another important reason for the waste processing is the environment preservation. The
substances found in the sewer system carry out a deleterious doing in the bodies of water: the
organic matter might lower the concentration of dissolved oxygen causing the death of fish
and other water organisms, darkening the water and exhaling unpleasant odors. The aim of the
present work is to assess the efficiency of a horizontal subsurface flow constructed wetland
(CW). The system was developed in a residential condominium, which comprises five
apartment buildings, in a total of eighty families and a population of three hundred and twenty
people in the city of Lajeado/RS. The CW receives the effluent of a Compact Domestic
Sewage Treatment Station which consists of a preliminary treatment, of gridding and sand
filter, and biological treatment, built by UASB Reactor and anaerobic filter. The project is
dimensioned for an approximately five-day´s time of water holding, when after this stage the
effluent is chlorinated in a disinfection box before it hits the receiving body. The samples
were taken in the entrance and in the outlet of the Wetland, initially with weekly intervals and
later in monthly spans, between the years of 2011 and 2014. Throughout this time, the treated
effluent displayed an average percentage reduction of DQO up to 76.5%, DBO5 up to 70.3%,
SST up to 90.3%, turbidity up to 88.3%, total coliforms up to 40.7%, thermotolerant
coliforms up to 61.3%, total phosphorus up to 71.35%, NTK up to 64.8% and nitrogen
ammoniacal up to 64.6%. The final effluent exhibited in the course of the study distinct
behavior regarding the reduction parameter. There was substantial loss in performance mainly
in the diminution of nutrients and good efficiency and stabilization facing the other
parameters, mainly concerning DBO, DQO, SST and turbidity. The present study has shown
that horizontal subsurface flow constructed wetlands may operate as final polish of effluents
of anaerobic reactors, being able to meet most standards required by the current
environmental laws.
Key words: sewage treatment, UASB reactors, Constructed Wetlands.
6
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
WC - Wetland construída
WFS - Wetland de fluxo superficial
WFSS - Wetland de fluxo subsuperficial
WHFSS - Wetland horizontal de fluxo subsuperficial
EPA - Environment Protection Agency
CONSEMA - Conselho Estadual de Meio Ambiente
CONAMA - Conselho Nacional de Meio Ambiente
DBO - Demanda Bioquímica de Oxigênio
DQO - Demanda Química de Oxigênio
OD - Oxigênio dissolvido
TDH - Tempo de detenção hidráulica
UASB - Upflow anaerobic sludge blanket
pH - Potencial hidrogeniônico
OMS - Organização Mundial da Saúde
NTK - Nitrogênio Total Kjeldhal
FV - Fluxo vertical
FH - Fluxo horizontal
FHS - Fluxo horizontal superficial
7
FHSS - Fluxo horizontal subsuperficial
P - Fósforo
N - Nitrogênio
NBR - Norma Brasileira Regulamentadora
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
SSusp - Sólidos Suspensos
FEPAM - Fundação Estadual de Proteção Ambiental
LD - Limite de Detecção
WERF Water Environment Research Foudation
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Ilustração de Wetland de fluxo superficial .............................................................. 30
Figura 2 – Configuração típica de uma Wetland construída de WFSS. ................................... 30
Figura 3 - Configuração típica de uma Wetland construída de WHFSS. ................................. 31
Figura 4 - Ciclo Simplificado do Nitrogênio em Wetlands. ..................................................... 37
Figura 5 - Distribuição de NH3 e NH4+ na água ..................................................................... 43
Figura 6 - Ciclo do fósforo na biomassa em Wetlands ............................................................ 45
Figura 7 - Imagem dos blocos residenciais e macrófitas do Sistema de WC. .......................... 50
Figura 8 - Escavação e compactação ........................................................................................ 56
Figura 9 - Revestimento com geomembrana ............................................................................ 56
Figura 10 - Acabamento da conexão da geomembrana na entrada do Wetland ....................... 57
Figura 11 - Colocação do material de enchimento ................................................................... 57
Figura 12 - Etapa completa de material de enchimento ........................................................... 58
Figura 13 - Etapa da plantação de mudas ................................................................................. 58
Figura 14 - Etapa final de conclusão do plantio das duas espécies de plantas ......................... 59
Figura 15 - Etapa de floração da bananeira vermelha .............................................................. 59
Figura 16 - Disposição das camadas de substrato .................................................................... 60
Figura 17 - Fluxograma do tratamento do esgoto doméstico do Condomínio Residencial
Floresta. .................................................................................................................................... 62
9
Figura 18 - Vista das plantas no Wetland ................................................................................. 64
Figura 19 - Vista das plantas no Wetland antes do processo de poda ...................................... 64
Figura 20 - Vista das plantas na Wetland durante um processo de poda ................................. 65
Figura 21 - Vista das plantas na Wetland logo após o processo de poda ................................. 65
Figura 22 - Representação utilizada para os gráficos box-pot.................................................. 67
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Vantagens e limitações de WC ................................................................................. 26
Tabela 2 - Mecanismos de remoção de águas residuárias ........................................................ 34
Tabela 3 - Principais características operacionais da WC: ....................................................... 55
Tabela 4 - Dimensões construtivas do WC: ............................................................................ 55
Tabela 5 - Escolha das espécies de plantas utilizadas no sistema WC ..................................... 61
Tabela 6 - Metodologia adotada nos ensaios laboratoriais ....................................................... 66
Tabela 7 - Concentração média, desvio padrão, máximos e mínimos, relacionados com
legislação estadual vigente dos parâmetros de qualidade do efluente. ..................................... 68
Tabela 8 - Eficiência percentual, desvio padrão, máximos e mínimos para remoção dos
parâmetros analisados ............................................................................................................... 69
Tabela 9 - Resumo dos VME e da eficiência encontrada no decorrer dos anos de análise. ..... 70
Tabela 10 - Valores encontrados de DQO para confecção dos Box-plots ............................... 72
Tabela 11 - Valores encontrados de DBO5 para confecção dos gráficos Box-plot ................. 76
Tabela 12 - Valores encontrados de Fósforo Total para confecção do Box-plot ..................... 79
Tabela 13 - Valores encontrados de NTK para confecção dos Box-plots ................................ 82
Tabela 14 - Valores encontrados de Nitrogênio NH3 para confecção do gráfico box-plot. .... 85
Tabela 15 - Valores encontrados de SST para confecção dos Box-plots ................................. 88
Tabela 16 - Valores médios de concentração de saída e a eficiência de remoção ................... 89
11
Tabela 17 - Valores médios de concentração de saída e a eficiência de remoção ................... 89
Tabela 18 - Valores encontrados de Turbidez para confecção dos Box-plots.......................... 92
12
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Valores obtidos de DQO na entrada e saída da WC durante o ano de 2011 .......... 70
Gráfico 2 - Valores obtidos de DQO na entrada e saída da WC durante o ano de 2012 .......... 71
Gráfico 3 - Valores obtidos de DQO na entrada e saída da WC durante o ano de 2013 .......... 71
Gráfico 4 - Valores obtidos de DQO na entrada e saída da WC durante o ano de 2014 .......... 72
Gráfico 5 - Box-plot DQO entre o período de 2011 e 2014. .................................................... 73
Gráfico 6 - Valores obtidos de DBO5 na entrada e saída da WC durante o ano de 2011. ....... 74
Gráfico 7 - Valores obtidos de DBO5 na entrada e saída da WC durante o ano de 2012. ....... 74
Gráfico 8 - Valores obtidos de DBO5 na entrada e saída da WC durante o ano de 2013. ....... 75
Gráfico 9 - Valores obtidos de DBO5 na entrada e saída da WC durante o ano de 2014. ....... 75
Gráfico 10 - Box-plot DBO5 entre o período de 2011 e 2014. ................................................. 76
Gráfico 11 - Valores obtidos para Fósforo Total na entrada e saída da WC durante o ano de
2011. ......................................................................................................................................... 77
Gráfico 12 - Valores obtidos para Fósforo Total na entrada e saída da WC durante o ano de
2012. ......................................................................................................................................... 77
Gráfico 13 - Valores obtidos para Fósforo Total na entrada e saída da WC durante o ano de
2013. ......................................................................................................................................... 78
Gráfico 14 - Valores obtidos para Fósforo Total na entrada e saída da WC durante o ano de
2014. ......................................................................................................................................... 78
Gráfico 15 - Gráfico box-plot de Fósforo Total entre o período de 2011 e 2014. ................... 79
13
Gráfico 16 - Valores obtidos para NTK na entrada e saída da WC durante o ano de 2011. .... 80
Gráfico 17 - Valores obtidos para NTK na entrada e saída da WC durante o ano de 2012. .... 80
Gráfico 18 - Valores obtidos para NTK na entrada e saída da WC durante o ano de 2013. .... 81
Gráfico 19 - Valores obtidos para NTK na entrada e saída da WC durante o ano de 2014. .... 81
Gráfico 20 - Box-plot de NTK entre o período de 2011 e 2014. .............................................. 82
Gráfico 21 - Valores obtidos para Nitrogênio NH3 na entrada e saída da WC durante o ano de
2011. ......................................................................................................................................... 83
Gráfico 22 - Valores obtidos para Nitrogênio NH3 na entrada e saída da WC durante o ano de
2012. ......................................................................................................................................... 83
Gráfico 23 - Valores obtidos para Nitrogênio NH3 na entrada e saída da WC durante o ano de
2013. ......................................................................................................................................... 84
Gráfico 24 - Valores obtidos para Nitrogênio NH3 na entrada e saída da WC durante o ano de
2014. ......................................................................................................................................... 84
Gráfico 25 - Gráfico box-plot de Nitrogênio amoniacal (NH3) entre o período de 2011 e 2014.
.................................................................................................................................................. 85
Gráfico 26 - Valores obtidos para SST na entrada e saída da WC durante o ano de 2011. ..... 86
Gráfico 27 - Valores obtidos para SST na entrada e saída da WC durante o ano de 2012. ..... 86
Gráfico 28 - Valores obtidos para SST na entrada e saída da WC durante o ano de 2013. ..... 87
Gráfico 29 - Valores obtidos para SST na entrada e saída da WC durante o ano de 2014. ..... 87
Gráfico 30 - Box-plot de SST entre o período de 2011 e 2014. ............................................... 88
Gráfico 31 - Valores obtidos para Turbidez na entrada e saída da WC durante o ano de 2011.
.................................................................................................................................................. 90
Gráfico 32 - Valores obtidos para Turbidez na entrada e saída da WC durante o ano de 2012.
.................................................................................................................................................. 91
Gráfico 33 - Valores obtidos para Turbidez na entrada e saída da WC durante o ano de 2013.
.................................................................................................................................................. 91
Gráfico 34 - Valores obtidos para Turbidez na entrada e saída da WC durante o ano de 2014.
.................................................................................................................................................. 92
14
Gráfico 35 - Box-plot da Turbidez entre o período de 2011 e 2014. ....................................... 92
15
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Oxidação do íon amônio em nitrito ...................................................................... 39
Equação 2 - Oxidação do nitrito a nitrato ................................................................................. 39
Equação 3 - Processo de desnitrificação .................................................................................. 40
Equação 4 - Decomposição aeróbia da matéria orgânica ......................................................... 47
Equação 5 - Conversão da matéria orgânica para síntese de novas células ............................. 47
Equação 6 - Vazão média do condomínio ................................................................................ 52
Equação 7 - Vazão diária do condomínio ................................................................................. 53
Equação 8 - Contribuição DQO/d ............................................................................................ 53
Equação 9 - Contribuição NTK/d ............................................................................................. 53
Equação 10 - Contribuição Fósforo Total/d ............................................................................. 53
Equação 11 - TDH no Reator UASB........................................................................................ 54
16
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 19
2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 23
2.1 Objetivo geral ................................................................................................................. 23
2.1.2. Objetivo específico .................................................................................................. 23
3. REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................. 24
3.1 Características gerais de WC .......................................................................................... 24
3.2 Fatores que influenciam no desempenho de WC ............................................................ 26
3.2.1 Fatores climáticos ..................................................................................................... 26
3.2.2 Solo e geologia ......................................................................................................... 27
3.2.3 Fatores biológicos .................................................................................................... 27
3.3 Classificação das WC ..................................................................................................... 28
3.3.1 Wetland de fluxo superficial (WFS)......................................................................... 29
3.3.2 Wetland vertical de fluxo subsuperficial (WVFSS) ................................................. 30
3.4 Utilização de plantas em Wetland horizontal de fluxo subsuperficial – WHFSS........... 31
3.5 Mecanismos de remoção de poluentes em WC .............................................................. 33
3.5.1 Processos físicos ....................................................................................................... 34
3.5.2 Processos químicos .................................................................................................. 35
3.5.3 Processos biológicos ................................................................................................ 35
3.6 Descrição dos Processos que ocorrem com nitrogênio em Wetlands ............................. 36
17
3.6.1 Formas de nitrogênio em Wetlands .......................................................................... 36
3.6.1.1 Amonificação ........................................................................................................ 38
3.6.1.2 Nitrificação ............................................................................................................ 38
3.6.1.3 Desnitrificação ...................................................................................................... 40
3.6.1.4 Assimilação pelas plantas...................................................................................... 41
3.6.1.5 Volatilização da amônia ........................................................................................ 42
3.6.2 Fósforo ..................................................................................................................... 43
3.6.3 Patógenos ................................................................................................................. 46
3.6.4 Matéria Orgânica ...................................................................................................... 46
3.6.5 Sólidos Totais ........................................................................................................... 48
3.7 Áreas alagadas construídas no Brasil .............................................................................. 48
4 METODOLOGIA .................................................................................................................. 50
4.1 Local de estudo ............................................................................................................... 50
4.2 Descrição do tratamento ................................................................................................. 51
4.3 Projeto Wetland construído condomínio residencial floresta – memorial de cálculo ..... 51
4.3.1 A legislação pertinente ............................................................................................. 51
4.3.2 Estimativa de vazão .................................................................................................. 52
4.3.3 Cálculo da carga poluidora ...................................................................................... 53
4.3.4 Cálculo do tempo de detenção hidráulica – TDH no Reator UASB ....................... 54
4.3.5 Dimensionamento.................................................................................................... 54
4.4 - Orientações de construção ............................................................................................ 55
4.4.1 Escavação e dimensão do tanque ............................................................................. 55
4.4.2 Relatório fotográfico das etapas de construção da Wetland ..................................... 56
4.4.3 Escolha dos materiais e disposição das camadas de substrato ................................. 60
4.4.4 Manutenção do fluxo subsuperficial do WC ............................................................ 61
4.4.5 Escolha das espécies de macrófitas aquáticas .......................................................... 61
18
4.4.6 Pontos de monitoramento ........................................................................................ 62
4.4.7 Manutenção do sistema ........................................................................................... 62
4.5 Monitoramento do WC no condomínio residencial ........................................................ 63
4.5.1 Pontos de coleta do efluente ..................................................................................... 63
4.5.2- Monitoramento ........................................................................................................ 63
4.5.3 Relatório Fotográfico ............................................................................................... 63
4.6 Período de coleta de dados .............................................................................................. 66
4.6.1 Parâmetros analisados .............................................................................................. 66
4.6.3 Análise estatística ..................................................................................................... 66
5 RESULTADOS ..................................................................................................................... 68
5.1 Efluentes ......................................................................................................................... 68
5.1.1 Resumo dos resultados ............................................................................................. 68
5.1.2 Remoção e eficiência encontrada para o período de análise .................................... 69
5.1.2.1 DQO ...................................................................................................................... 70
5.1.2.2 DBO5 ..................................................................................................................... 73
5.1.2.3 Fósforo Total ......................................................................................................... 77
5.1.2.4 Nitrogênio Total Kjeldhal – NTK ......................................................................... 80
5.1.2.5 Nitrogênio Amoniacal (Nitrogênio NH3) .............................................................. 83
5.1.2.6 Sólidos Suspensos Totais - SST ............................................................................ 86
5.1.2.7 Coliformes Totais e termotolerantes ..................................................................... 89
5.1.2.8 Turbidez ................................................................................................................ 90
6 CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 94
REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 95
ANEXOS ................................................................................................................................ 101
Anexo A - Corte lateral - BB..................................................................................................102
Anexo B - Planta Baixa...........................................................................................................103
19
1. INTRODUÇÃO
A água é a substância mais abundante na superfície da Terra, ocupando em relação à
“terra firme” a proporção de área equivalente a 2,42:1, sendo o melhor e mais comum
solvente disponível na natureza. De toda a água doce líquida, 99,01% são subterrâneas e
0,99% são superficiais, sendo que água doce líquida, potencialmente utilizável, corresponde a
0,007% do total de água do planeta (HIRATA, et al. apud TEIXEIRA, et al., 2009). Essa água
doce disponível é explorada e utilizada para diversos fins, podendo ser utilizada diretamente
no reservatório natural onde se encontra, ou extraída e transportada para outros locais, para
satisfazer as necessidades de seu uso. Para cada um de seus possíveis usos, é requerida uma
qualidade específica.
A qualidade da água é representada por parâmetros que refletem seus aspectos físicos,
químicos e biológicos. Von Sperling (1996) aponta como os principais parâmetros físicos e
químicos da água: cor, turbidez, sabor e odor, temperatura, pH, alcalinidade, acidez, dureza,
ferro e manganês, cloretos, nitrogênio, fósforo, oxigênio dissolvido, matéria orgânica,
micropoluentes inorgânicos e orgânicos.
Os sistemas de abastecimento de água, de coleta e tratamento de águas residuárias são
algumas das atividades que compõem o saneamento. A implantação de sistemas de
saneamento deve considerar características culturais, sociais e econômicas do local, buscando
alternativas tecnológicas apropriadas para cada cenário, seja em grandes aglomerados urbanos
ou em pequenas comunidades (INTERFAC-EHS – 2013). De acordo com Philippi Jr. &
Malheiros (2005), a cobertura do sistema de coleta e tratamento de efluentes é maior nas áreas
urbanas do que em áreas rurais. Nestas últimas, em que estes serviços podem ser
20
caracterizados como críticos, uma alternativa potencial a ser empregada é o sistema de
tratamento dos efluentes in situ.
Conforme apontado por Von Sperling (1996), 99.9% do esgoto doméstico é
constituído de água. Os 0,1% restantes correspondem aos sólidos orgânicos e inorgânicos, que
podem estar presentes tanto na forma suspensa como dissolvida. O maior impacto relacionado
à presença de nitrogênio e de fósforo em corpos d’água é a eutrofização, que consiste no
crescimento excessivo das plantas aquáticas causando prejuízos aos usos desejáveis do corpo
d’água. Os Wetlands consistem em sistemas projetados que utilizam plantas aquáticas
(macrófitas) em substratos (areia, solo, brita ou cascalho), promovendo a proliferação de
microorganismos capazes absorver nutrientes e de degradar a matéria orgânica complexa,
formando elementos mais simples que podem ser assimilados pelas plantas, realizando dessa
forma o tratamento de águas residuárias (MONTEIRO, 2009).
Conforme observado por vários pesquisadores (VALENTIM, 2003; MAZZOLA,
2003; SILVA, 2007; OLIVEIRA, 2007; OLIVEIRA, 2008; MONTEIRO, 2009), esse sistema
se mostra eficiente para redução dos valores de nitrogênio, fósforo, DBO, DQO, turbidez e
sólidos sedimentáveis dos efluentes. Os sistemas de tratamento de efluentes do tipo Wetland
são de baixo custo de implantação e manutenção, e, além disso, não liberam odores
desagradáveis. O emprego de macrófitas nos tanques confere valor paisagístico, facilitando a
aceitação da sociedade para seu emprego em comunidades. Os Wetlands artificiais ou
construídos são divididos de acordo com seu escoamento, podendo ser superficial ou sub-
superficial. Estes ainda podem ser subdivididos de acordo com o tipo de fluxo em horizontal,
vertical ou híbrido.
Von Sperling (1996) ressalta como condição fundamental para os países em
desenvolvimento, elevar o nível de qualidade das águas, e o maior esforço a ser empreendido
é na implantação de sistemas de tratamento. Este autor considera alguns aspectos como de
vital importância na seleção dos sistemas de tratamento destes países, são eles: custos de
construção, sustentabilidade, custos operacionais e simplicidade. Pela necessidade de altos
investimentos, soluções alternativas e de baixo custo devem ser buscadas, principalmente
quando relacionada ao esgotamento sanitário, em que se verifica maior carência quando
comparada ao abastecimento de água. A simplicidade funcional é uma característica desejável
21
e de grande relevância dentro da realidade nacional, pois o maior déficit está em localidades
isoladas, em que a rede convencional de esgotamento seria inviável do ponto de vista
econômico (Roque, 1997). Tais condições também tem reflexo na saúde da população.
Doenças já controladas em outros países se tornam endêmicas em povoados de baixa renda e
localidades interioranas (Mara, 2003), onde o baixo nível cultural acentua ainda mais as
desigualdades sociais.
Em função da rápida e crescente urbanização e da necessidade de opções adequadas de
tratamento de águas residuárias de baixo custo, os reatores anaeróbios de fluxo ascendente
(UASB), mostram-se como uma opção apropriada para o tratamento de efluentes domésticos
em países tropicais em desenvolvimento (STEEN et al., 1999; CHERNICHARO, 2007).
Cunha (2006) reporta sobre as vantagens do reator UASB na produção de biogás, no baixo
consumo energético e na baixa produção de lodo. As desvantagens dos reatores UASB são a
necessidade adicional de tratamento para o polimento e para redução da carga de poluição no
efluente, especialmente em termos de matéria orgânica.
Uma técnica que vem sendo muito pesquisada e utilizada no tratamento de esgotos de
diferentes características é o de Wetlands Construídos (WC). Essa técnica, já bastante
estudada na Europa, América e Austrália, vem sendo estudada e utilizada em países em
desenvolvimento, que possuem áreas apropriadas e necessitam de sistemas e processos
naturais, de baixos custos de implantação e manutenção. No Brasil, esta modalidade de
tratamento recebe outros nomes, como áreas alagadas construídas, zona de raízes, leitos
cultivados, entre outras (Von Sperling, 1996).
As tendências de pesquisas em tratamento de efluentes abordam a remediação mais
limpa, o reuso das águas, a recuperação de energia e nutrientes, a integração de métodos e
processos e a análise do ciclo de vida. A fitorremediação através de WC associa tais
vantagens por ser um sistema de simples operação, baixo custo de implantação e manutenção,
não exige mão-de-obra qualificada e com baixo consumo energético. Além disso, é uma
alternativa diante da enorme heterogeneidade da sociedade brasileira, na qual são necessárias
tecnologias simples e de baixo custo para o tratamento de esgotos, incluindo a utilização do
efluente (TAVARES, 2004). Alternativas ambientalmente sustentáveis, empregadas sob a
ótica da descentralização, são apontadas na literatura, destacando-se a utilização de sistemas
22
naturais para o tratamento dos esgotos (SEZERINO et al., 2005). De acordo com Sezerino
(2006), os sistemas WC já vem sendo usados por países desenvolvidos como alternativa
tecnológica para o tratamento de esgotos e na promoção do saneamento rural.
A possibilidade de integração de tecnologias simples e de baixo custo, como reatores
anaeróbios e WC já tem sido testada por diversos autores (ANDRADE NETO, 1997;
ALMEIDA 2005; SEZERINO et al., 2006; SOUSA et al., 2000; SOUSA et al., 2001;
SOUSA et al., 2003; NUVOLARI, 2003;) e permitem integrar as vantagens de ambos os
tratamentos.
Justifica-se assim, um estudo mais profundo destes sistemas, considerando-se as
variáveis e processos mais relevantes, incluindo-se também a natureza dinâmica que
caracteriza as taxas de remoção de poluentes.
23
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
Analisar o desempenho e comportamento de um Wetland de fluxo horizontal
subsuperficial, tratando efluente de reator UASB e filtro anaeróbio.
2.1.2. Objetivo específico
Avaliar o desempenho na remoção de DBO5, DQO, Sólidos Suspensos Totais,
Turbidez, NTK, N-Amoniacal, Fósforo total, Coliformes Totais e Termotolerantes de um
Wetland horizontal subsuperficial construída, utilizada para o pós-tratamento de efluente de
reator UASB e filtro anaeróbio, no período dos anos entre 2011 e 2014.
24
3. REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 Características gerais de WC
O termo Wetlands vem do inglês e significa áreas alagadas, sendo utilizado para
caracterizar vários ecossistemas naturais que ficam parcial ou totalmente inundados durante o
ano (SALATI, 2000). Uma WC é aquela cuja finalidade específica é o controle da poluição e
o manejo de resíduos em um local diferente de onde existe uma Wetland natural. Em suma, é
a simulação de um ecossistema natural reproduzido em um ambiente distinto, aonde
mecanismos básicos de ecologia são manipulados através de princípios de engenharia civil e
sanitária. Desta forma, o mecanismo de tratamento das WC é baseado em Wetlands naturais,
em que microorganismos, plantas e animais nativos trabalham juntos para reduzir os
poluentes da água.
O termo Wetland vem do inglês (wet: úmido, encharcado e land: terra, solo), e o termo
construído dá as dimensões de um sistema projetado sob condições controladas e com
princípio de impermeabilização do solo para impedir a infiltração (USEPA,1993).
Os WC têm sido empregadas no tratamento de águas residuárias domésticas,
industriais, agrícolas e do escoamento urbano e rural. Do ponto de vista de remoção de
poluentes, os autores Kadlec & Knight (1996) relatam que estes sistemas que estes Wetlands
apresentam capacidade de remoção de poluentes tais como: matéria orgânica, organismos
patogênicos, material em suspensão, nutrientes, metais pesados e compostos orgânicos
tóxicos.
WC são caracterizadas por sere uma forma de tratamento de baixa tecnologia em
contraposição a outras formas de tratamento relativamente de alta tecnologia, tais como o
25
processo de lodos ativados e tratamentos físico-químicos. Desta forma, o custo de tratamento
característico de Wetlands tende a ser inferior que o de outras formas de tratamento mais
avançadas, devido à sua simplicidade intrínseca. Todavia, o custo de implantação de WC
pode ser desvantajoso em função da magnitude das áreas envolvidas para sua implantação e
do movimento de terra associado. (U.S. EPA, 2000).
Dentre as aplicações práticas mais citadas de Wetlands, estão aquelas referentes ao
tratamento de águas residuárias com vazões relativamente pequenas, devido ao requerimento
de grandes áreas para sua implantação quando utilizadas maiores vazões. Assim, tais
aplicações tendem a se concentrar no tratamento de águas residuárias de pequenas
comunidades e indústrias, embora não estejam restritas somente a estes casos
(LAUTENSCHLAGER, 2001).
Os WC são sistemas que consistem em lagoas ou canais rasos, preenchidos por um
material poroso inerte que serve de meio suporte para plantas aquáticas que auxiliam no
tratamento dos esgotos. Devem possuir uma camada impermeável de argila ou membrana
sintética, além de estruturas que permitam o controle de importantes parâmetros do sistema
como a direção do fluxo, o tempo de detenção hidráulica e o nível de água (VON SPERLING,
2005).
Dentre as diversas espécies de macrófitas que podem ser utilizadas em sistemas de
Wetlands construídos, Stottmeister et al. (2003) destacam as: Phragmites australis, Juncus
spp., Scirpus spp., Typha angustifolia, Typha latifolia, Iris pseudacorus, Acorus calamus,
Glyceria maxima e Carex spp. No entanto, apesar de todas essas espécies serem adequadas, as
mais empregadas são os tipos de canas (Phragmites spp.), de juncos (Juncus spp.) e taboas
(Typha spp.). (STOTTMEISTER et al. 2003)
A Tabela 1 apresenta algumas das vantagens e limitações da aplicação de sistemas de
Wetlands construídos.
26
Tabela 1- Vantagens e limitações de WC
Vantagens Limitações
Baixos custos de construção e operação
quando comparados a sistemas mais
complexos como o Lodo Ativado
Maior demanda de área para construção
quando comparados a sistemas mais
complexos como o Lodo Ativado
Baixo consumo de energia e produção de
lodo
Possibilidade de colmatação do substrato
Promoção de um tratamento satisfatório
quanto à remoção de matéria orgânica,
sólidos em suspensão e macronutrientes
(nitrogênio e fósforo)
Possibilidade de formação de curtos-
circuitos hidráulicos
Possibilidade de remoção de
microrganismos patogênicos
Necessidade de manejo adequado das
macrófitas
Recorrentes imprecisões para os critérios
de projeto e operação
Fonte: CHERNICHARO (2001).
3.2 Fatores que influenciam no desempenho de WC
Indubitavelmente, além da natureza do poluente, podem afetar a eficiência de remoção
as seguintes variáveis: tipo de solo, meteorologia, hidrologia, hidrodinâmica, flora, fauna e
regras de operação e de manejo do sistema (LAUTENSCHLAGER, 2001).
Apresenta-se a seguir os principais fatores que podem afetar o funcionamento dos
Wetlands.
3.2.1 Fatores climáticos
Fatores climáticos podem afetar o funcionamento de Wetlands em função de:
• Temperatura: afeta taxas de reações físico-químicas e bioquímicas, reaeração,
volatilização e evapotranspiração;
27
• Radiação Solar: afeta a taxa de crescimento da vegetação devido à fotossíntese, a qual
depende também do número de horas de insolação por dia;
• Precipitação: afeta o balanço hídrico dos Wetlands;
• Vento: afeta as taxas de evapotranspiração, trocas gasosas entre a atmosfera e o meio
aquático e o efeito de mistura (turbulência no escoamento).
3.2.2 Solo e geologia
Parte da capacidade de remoção de poluentes por um Wetland se dá às custas de
processos envolvendo interações poluentes-solo. O fenômeno de sorção desempenha papel
fundamental neste processo e depende das características do solo e de cada poluente
considerado.
Adicionalmente, é importante que o Wetland apresente uma camada de solo que
dificulte a percolação dos poluentes para o lençol freático (SEZERINO & PHILIPPI, 2004).
3.2.3 Fatores biológicos
As atividades biológicas que ocorrem dentro dos Wetlands podem ser de grande
importância para o bom desempenho destas como removedoras de poluentes. As plantas
desempenham papel de primeira importância na melhoria da qualidade da água, absorvendo
vários poluentes, ou então adsorvendo-os em suas raízes de grande superfície específica e
caules submersos. Assim, a seleção e o manejo da vegetação devem ser cuidadosamente
analisados para que sejam obtidas remoções satisfatórias dos poluentes. Também deve-se
analisar a possibilidade de ocorrência do efeito de cargas tóxicas à biota local, para que esta
não deixe de cumprir a função para a qual foi projetada (MITCHELL e HAMILTON, 1996).
Além das plantas, os microrganismos decompositores também são importantes nestes
sistemas, pois degradam, microrganismos decompositores atuam sobre a matéria orgânica
biodegradável, consumindo a DBO disponível (MITCHELL e HAMILTON, 1996).
28
3.3 Classificação das WC
Os WC podem ser classificadas segundo a direção do fluxo de esgoto através de seu
leito em: fluxo horizontal e fluxo vertical. As WC de fluxo horizontal ainda podem ser
subdivididos em: fluxo superficial (nível d’água livre na superfície) e fluxo subsuperficial
(nível d’água abaixo do nível do leito filtrante) (USEPA, 2000).
Fluxo vertical (FV):
Os WC de fluxo vertical são sistemas que geralmente apresentam uma alimentação
intermitente, constituindo um típico filtro com leito para suporte de uma vegetação plantada
com recolhimento do efluente tratado no fundo da unidade. Essa concepção apresenta como
maior vantagem um menor requisito de área, devido a uma distribuição em uma superfície de
entrada maior e um uso mais eficiente do volume do filtro, além de apresentar uma maior
oxigenação no meio filtrante ocasionado pela intermitência da sua alimentação (PLATZER et
al., 2007).
Fluxo horizontal (FH):
Os WC de fluxo horizontal são sistemas alimentados continuamente, em geral, e que
apresentam uma oxigenação limitada no meio filtrante. Possui vantagens como a operação do
sistema sem o uso de bombas e maior eficiência na eliminação de patógenos, devido a um
tempo de detenção hidráulico mais elevado (PLATZER et al., 2007).
Fluxo horizontal superficial (FHS):
Nessa concepção, há uma semelhança muito grande com os Wetlands naturais, já que
são constituídas de plantas aquáticas flutuantes e/ou enraizadas, utilizando como base uma
camada de solo no fundo do tanque. O nível d’água ultrapassa o do meio filtrante, sendo que o
efluente flui com liberdade entre as folhas e caules das macrófitas utilizadas, que podem ser
emergentes e/ou submersas. Esse tipo de WC apresenta uma ecologia aquática bastante
complexa e são mais adequados para o tratamento de efluentes oriundos de lagoas de
estabilização (VON SPERLING, 2005).
29
Fluxo horizontal subsuperficial (FHSS):
Nos Wetlands de fluxo subsuperficial, o nível d’água não ultrapassa o do meio
filtrante, ou seja, o fluxo não corre livremente na superfície como no caso anterior. O afluente
escoa em contato com as zonas das raízes e rizomas das macrófitas. Para a composição do
meio filtrante, que dará suporte para o crescimento das plantas, podem ser utilizadas pedras,
cascalhos, areia ou solo. Esse tipo é mais recomendado para o pós-tratamento de efluentes de
tanques sépticos e reatores anaeróbios (MOTA e VON SPERLING, 2009).
3.3.1 Wetland de fluxo superficial (WFS)
Os Wetlands de fluxo superficial possuem, na sua maior parte, áreas em que a água
está aparente e a vegetação é composta por macrófitas flutuantes e/ou emergentes (enraizadas
na camada de sedimento no fundo). O biofilme microbiano se desenvolve em toda a superfície
disponível das plantas. A água residuária, ao passar pelo sistema de WFS, é tratada através
dos processos de sedimentação, filtração, oxidação, redução, adsorção e precipitação
(KADLEC e WALLACE, 2008).
O ambiente nas WFS é normalmente aeróbio na região próxima à superfície da água,
tendendo a condições anóxicas em direção ao fundo da unidade de tratamento, podendo ser
inclusive anaeróbia, semelhante aos sistemas de lagoas de estabilização (KADLEC e
WALLACE, 2008).
Os Wetlands de fluxo superficial são a tipologia de WC que mais se assemelha aos
sistemas encontrados na natureza, por isso é também a que mais atrai uma grande variedade
de animais selvagens, como insetos, moluscos, peixes, anfíbios, répteis, pássaros e mamíferos.
Devido ao potencial de exposição humana aos patógenos, as WFS raramente são utilizadas
para tratamento primário ou secundário. A aplicação mais comum desse tipo de Wetland é no
tratamento avançado de efluentes secundários ou terciários, oriundos, por exemplo, de lagoas,
filtros biológicos percoladores, lodos ativados, entre outros (USEPA, 2000). Um esquema
típico de um Wetland de fluxo superficial é apresentado na figura1.
30
Fonte: SALATI, (2000).
3.3.2 Wetland vertical de fluxo subsuperficial (WVFSS)
Existem diversas variações de Wetlands verticais. O tipo mais comum, utilizado em
maior proporção na Europa, consiste na aplicação de pulsos do efluente no sistema na forma
de bateladas e a simples percolação no leito de areia ou pedras, plantado com macrófitas
emergentes. Essa tipologia assemelha-se bastante aos filtros intermitentes de areia, em que o
fluxo não é contínuo, não há necessidade de tratamento primário, sendo usual a aplicação de
esgoto bruto oriundo apenas de tratamento preliminar (USEPA, 2000).
A aplicação de um fluxo intermitente tem por finalidade melhorar a oxigenação do
meio filtrante e do biofilme presente nos interstícios e aderido ao meio suporte, resultando
num ambiente predominantemente aeróbio. Essa intermitência, portanto, intensifica a
oxidação da amônia, resultando em um efluente nitrificado parcialmente (USEPA 2000). Um
esquema típico de um Wetland vertical de fluxo subsuperficial é apresentado na figura 2.
Fonte: KADLEC & KNIGHT (1996).
Figura 1 - Ilustração de Wetland de fluxo superficial
Figura 2 – Configuração típica de uma Wetland construída de WFSS.
31
3.4 Utilização de plantas em Wetland horizontal de fluxo subsuperficial – WHFSS
Objeto de estudo do presente trabalho, tais sistemas não se assemelham a Wetlands
naturais já que não possuem camada de água aparente. Estas possuem leito cujo meio (britas,
pedras de dimensões reduzidas, cascalho, areia ou solo) é plantado com macrófitas aquáticas.
Quando operadas e dimensionadas corretamente, as águas residuárias se mantêm abaixo da
superfície do leito e fluem em contato com as raízes e rizomas das plantas e, assim, não ficam
visíveis ou disponíveis à vida selvagem ou com o contato direto do operador do sistema
(USEPA, 2000). Um esquema típico de um Wetland horizontal de fluxo subsuperficial é
apresentado na Figura 3.
Fonte: Adaptado de AGENCE DE L'EAU (2005)
As macrófitas emergentes são as mais adequadas para as Wetlands horizontais
subsuperficiais, uma vez que o nível da água, nesses sistemas, se mantém abaixo da superfície
do meio suporte. Entre elas, as mais utilizadas em todo o mundo são a Phagmites sp., taboa
(Typha sp.) e Juncus sp.. Essas espécies possuem alta taxa de crescimento e adensamento no
leito, com destaque para a Phagmites sp. (COOPER, et al. 1996).
Os microrganismos desenvolvem-se aderidos à superfície do material do meio suporte,
do caule e das raízes das plantas e dos sólidos em suspensão acumulados no sistema. O
efluente flui longitudinalmente e é submetido ao tratamento durante o contato com a
superfície do substrato e com os rizomas e raízes, que são locais de concentração do biofilme
bacteriano decompositor do material orgânico. A oxidação do meio é feita, dependendo da
Figura 3 - Configuração típica de uma Wetland construída de WHFSS.
32
espécie vegetal cultivada, via rizomas das plantas e por difusão do ar atmosférico na
superfície do meio suporte, possibilitando a formação de locais aeróbios e anaeróbios no
interior da unidade de tratamento (MATOS e LO MONACO, 2003).
A escolha da macrófita está associada à sua tolerância a ambientes alagados de água
(ou esgoto), seu potencial de crescimento, à presença destas plantas na área próxima de onde
o Wetland será construída. Esta última condição é considerada para que a planta esteja mais
adaptada às condições climáticas da região e não prejudique seu desenvolvimento, assim
como o custo relativo ao plantio e à manutenção (poda regular e aproveitamento da biomassa)
(PHILIPPI e SEZERINO, 2004). Entretanto, pode-se utilizar uma macrófita menos habituada
com o ambiente proposto ou que apresente maior custo, quando há intenção de remoção de
alguns poluentes específicos, já que algumas espécies se sobressaem em relação a outras. Por
exemplo, no caso da remoção de nitrogênio em WHFSS, é recomendado o uso de Phagmites
sp. ou Scirpus sp. em relação à taboa (REED, et al. 1995). Esses autores atribuíram a menor
eficiência da taboa em função do menor alcance das raízes em toda a profundidade do leito
(0,76 cm).
A penetração das raízes das macrófitas no meio suporte é, portanto, um parâmetro
importante que deve ser considerado no projeto de WC. Caso a penetração do sistema
radicular não alcance o fundo do leito, possivelmente ocorrerá estratificação vertical do fluxo
do líquido no meio devido às condições impostas pela região onde há presença das raízes,
formando caminhos preferenciais na zona inferior. Cooper et al. (1996) destacam que as
raízes das plantas do gênero Typha spp. atingem penetrações no material filtrante da ordem de
0,3 a 0,4 m. Já para o gênero Juncus spp. estas penetrações variam de 0,6 a 0,9 m de
profundidade e as raízes das Phragmites spp. atingem profundidades maiores do que 0,6 m
(DE PAOLI, 2010). Também pode haver variações na profundidade de penetração das raízes
entre WC com o cultivo da mesma espécie de acordo com as características do efluente
aplicado. Observou-se que sistemas com condições fortes de redução e altas concentrações de
nutrientes apresentam raízes pouco profundas, sistematicamente menores que 0,3 m
(KADLEC e WALLACE, 2008).
33
3.5 Mecanismos de remoção de poluentes em WC
A remoção de poluentes em WC ocorre, principalmente, devido a mecanismos físicos,
químicos e biológicos. Dentre os mecanismos físicos estão os processos de filtração, de
sedimentação e de adsorção. Os mecanismos químicos consistem na precipitação e co-
precipitação de compostos insolúveis e na decomposição de compostos menos estáveis. Por
fim, os mecanismos biológicos consistem na remoção de partículas coloidais e orgânicas
solúveis por bactérias em suspensão, na nitrificação/desnitrificação, no metabolismo das
plantas (assimilação de contaminantes pelas plantas) e no decaimento natural dos organismos
em um meio desfavorável ao seu desenvolvimento (MARQUES, 1999). A eficiência de um
WC está diretamente relacionada à percentagem de nutrientes e substâncias químicas
absorvidas, transformadas ou decompostas pelo ecossistema ali formado (CUNHA, 2006).
Grande parte das transformações bioquímicas ocorridas e WC são controladas pela
população microbiana presente. A degradação biológica de micropoluentes orgânicos pode
ser verificada em locais com atividade microbiana intensa. A rizosfera expansiva das
macrófitas proporciona o surgimento de uma zona enriquecida para que os microrganismos se
envolvam na degradação de compostos orgânicos por meio de organismos aeróbios e
facultativos, aderidos às raízes e rizomas das plantas e presentes no substrato, ou por via
fermentativa, realizada por organismos anaeróbios nos sítios de potencial oxi-redução
negativos (KADLEC et al., 2004).
O objetivo do tratamento de águas residuárias, sejam elas provenientes de fontes
pontuais (esgoto doméstico ou industrial) ou difusas (minas, agrícolas, drenagem urbana ou
rural) por meio das WHFSS é potencializar o contato de espécies microbianas juntamente
com o substrato, proporcionando a bioconversão para gás carbônico, biomassa e efluente
tratado (DORNELAS, 2008). Os mecanismos citados na Tabela 2 são encontrados na maioria
das configurações de - WC.
34
Tabela 2 - Mecanismos de remoção de águas residuárias
Constituintes das águas
residuárias
Mecanismos de remoção
Sólidos Totais Sedimentação/Filtração
Decomposição
Precipitação e coprecipitação
Oxidação pelos microrganismos
Assimilação pelas plantas
DBO e DQO Degradação microbiana (aeróbia e anaeróbia)
Sedimentação (acumulação de matéria orgânica na superfície do
sedimento)
Filtração
Fósforo Reações de adsorção aos sítios das plantas e microbiota
Precipitação com Al, Fe, Ca e argilo minerais do solo
Formação de complexos com a matéria orgânica
Assimilação pelas plantas aquáticas e microbiota
Nitrogênio Amonificação seguida pela Nitrificação e Desnitrificação
Assimilação pelas plantas aquáticas
Volatilização da amônia
Sulfato Adsorção (troca catiônica)
Respiração do sulfato
Precipitação de sulfetos metálicos
Metais Sedimentação/Filtração
Reações de adsorção
Precipitação com material orgânico e acúmulo no sedimento
Precipitação na forma de hidróxidos e sulfetos
Assimilação pelas plantas aquáticas
Transformações microbianas (oxidação)
Fenol Adsorção a matéria orgânica e partículas do solo
Degradação microbiana
Patógenos Sedimentação/Filtração
Radiação Ultravioleta
Oxidação
Adsorção a matéria orgânica
Predação e ataque por vírus
Morte natural
Exposição a biocidas excretados por macrófitas
Fonte: BRIX (1993); ESTEVES (1998); FAULKNER & RICHARDSON (1989); GERSBERG, GEARHEART
& IVES (1989) KADLEC (1994); KADLEC et al. (2000); LEITÃO et al. (2006); REDDY & D’ANGELO
(1994); REED, CRITES & MIDDLEBROOKS (1995); WATSON et al. (1989).
3.5.1 Processos físicos
A sedimentação e a filtração são os principais processos físicos que levam à remoção
de poluentes das águas residuárias nas WHFSS. Esses poluentes são basicamente os materiais
35
particulados e sólidos suspensos. Através da absorção e assimilação, as plantas podem
remover nutrientes para produção de biomassa adicional (CUNHA, 2006).
3.5.2 Processos químicos
A sorção, incluindo a adsorção e a absorção, são processos que ocorrem nas
superfícies de plantas, sedimento, resíduos e principalmente no substrato, que resultam na
retenção de contaminantes, com destaque para o nutriente fósforo (CUNHA, 2006).
Os metais podem precipitar na coluna d’água como compostos insolúveis. Essa
conversão de um elemento solubilizado presente no efluente em uma forma sólida ocorre pelo
contato da água com o substrato e resíduos, imobilizando metais tóxicos no Wetland
(CUNHA, 2006).
A exposição à luz e a gases atmosféricos pode decompor praguicidas orgânicos, ou
inativar organismos patogênicos, por meio da fotodegradação e oxidação, respectivamente
(USEPA, 2000).
3.5.3 Processos biológicos
A biota presente nas WHFSS é representada por uma variedade de microrganismos,
especialmente as bactérias, fungos e as macrófitas, apresentando as seguintes funções (ITRC,
2003 apud DORNELAS, 2008):
Biodegradação aeróbia/anaeróbia – processos metabólicos dos microrganismos que
possuem um papel significante na remoção de compostos orgânicos em Wetlands;
Fitoacumulação – assimilação e acumulação de elementos inorgânicos em plantas;
Fitoestabilização – a habilidade para seqüestrar compostos inorgânicos pelas raízes das
plantas;
36
Fitodegradação – enzimas produzidas por plantas responsáveis pela hidrólise de
contaminantes orgânicos e inorgânicos que são assimilados pela planta durante a transpiração;
Rizodegradação – plantas produzem exudatos que incrementam a degradação
microbiológica de compostos orgânicos;
Fitovolatilização/evapotranspiração – assimilação e transpiração de compostos
voláteis através das folhas.
Bactérias e fungos têm relação simbiótica com o meio em que vivem. Os primeiros
estão em interligados com as raízes e a parte submersa. A segunda classe de organismos
mantém relação análoga com algas e plantas mais evoluídas (micorrizas) (HUSSAR, 2001
apud BRASIL, 2005). Todos esses microrganismos, com sua diversidade genética e
adaptação funcional, exceto em condições extremas, são capazes de desempenhar seu papel
na degradação dos poluentes nos Wetlands. Um exemplo de condição extrema pode ser a
presença de componentes tóxicos na água residuária, devendo-se evitá-los para proteger os
microrganismos (DE PAOLI, 2010).
Essa variedade de organismos vivos promove seis reações biológicas principais
envolvidas no desempenho das WHFSS, incluindo a fotossíntese, a respiração, a fermentação,
a nitrificação, a desnitrificação e a remoção microbiológica de fósforo (incorporação do P ao
protoplasma) (MITCHELL e HAMILTON, 1996 apud DORNELAS, 2008).
3.6 Descrição dos Processos que ocorrem com nitrogênio em Wetlands
3.6.1 Formas de nitrogênio em Wetlands
As espécies mais importantes de nitrogênio em Wetlands são a amônia solúvel (NH4
+),
o nitrogênio amoniacal (NH3), o nitrito (NO2
-) e o nitrato (NO3
-). Outras formas incluem o
óxido nitroso (N2O), o gás nitrogênio (N2), a uréia (orgânico), aminoácidos e amina
(KADLEC e KNIGHT, 1996). É chamado de Nitrogênio Total a soma do nitrogênio orgânico,
amônia, nitrato, nitrito e o gás nitroso (N - Orgânico + NH4
+ + NO3
- + N2O).
37
As várias formas de nitrogênio estão continuamente envolvidas em transformações de
compostos orgânicos para inorgânicos, e vice-versa. Muitas destas transformações são
bióticas, sendo processadas por bactérias do gênero Nitrobacter e Nitrosomonas (KADLEC e
KNIGHT, 1996).
Dentre as várias transformações sofridas pelo nitrogênio, nas diferentes tipologias de
Wetlands, poderia haver assimilação pelas plantas e pela microflora do Wetland
(preferencialmente como NH4
+ e NO3
-), parte ser lixiviado para o fundo da unidade, ou então
liberado como gás para a atmosfera (DE PAOLI, 2010).
O ciclo do nitrogênio é complexo, e o controle até mesmo das transformações mais
básicas deste elemento é um desafio em engenharia ecológica. A Figura 04 apresenta um
esquema do ciclo do nitrogênio em Wetlands (KADLEC e KNIGHT, 1996).
Figura 4 - Ciclo Simplificado do Nitrogênio em Wetlands.
Fonte: MITSCH & GOSSELINK (1993).
O ciclo do nitrogênio dentro de uma WHSS e a remoção desse nutriente do sistema
geralmente envolvem: a translocação e transformação do nitrogênio, incluindo a sedimentação
(ressuspensão), difusão da forma dissolvida, queda de restos de plantas e outros resíduos,
adsorção/dessorção de nitrogênio solúvel pelas partículas do meio, migração de organismos,
38
assimilação através da biota do Wetland, liberação pelas sementes, amonificação
(mineralização) (N - Orgânico - NH4
+), volatilização da amônia (NH4
+- NH3 (gás)), reações de
nitrificação/desnitrificação mediadas por bactérias, fixação de nitrogênio (N2, N2O (gases- N -
Orgânico)) e assimilação de nitrogênio através da biota do Wetland (NH4 e NO3
-) (KADLEC
e KNIGHT, 1996).
3.6.1.1 Amonificação
A amonificação é a transformação biológica de nitrogênio orgânico em amônia, sendo
este o passo inicial na mineralização de nitrogênio orgânico (REDDY & PATRICK, 1984). A
amônia é convertida da forma orgânica por um processo bioquímico exotérmico complexo
compreendendo várias etapas. Em alguns casos, esta energia é usada pelos microorganismos
para o crescimento, e a amônia é diretamente incorporada dentro da biomassa microbiana. As
bactérias amonificadoras são encontradas principalmente associadas com as raízes em
sistemas de camadas de pedras com uma relação de 107 bactérias por grama de raiz (MAY et
al., 1990).
Nas condições em que os Wetlands não estejam inundadas, a amonificação é
substancialmente reduzida (REDDY & PATRICK, 1984). A taxa de amônia em solos
inundados depende da temperatura e do pH. Esta taxa dobra para um acréscimo de
temperatura de 10°C e a temperatura ótima para amonificação está no intervalo de 40°C a
60°C. Estas temperaturas são dificilmente alcançadas em sistemas de tratamento de Wetlands.
O pH ótimo para tal condição amoniacal está entre 6,5 e 8,5 (REDDY & PATRICK, 1984).
3.6.1.2 Nitrificação
Uma vez que a amônia esteja presente no sistema, esta pode sofrer uma oxidação
biológica a nitrato, sob condição aeróbia e mediada por microrganismos, como
Nitrossomonas e Nitrobacter. Esses organismos requerem, além do dióxido de carbono e
alcalinidade, também oxigênio (O2) como aceptor de elétrons (aproximadamente 4,3 mg O2
39
por mg NH4-N oxidada) (COOPER et al., 1996). Portanto, a presença de oxigênio dissolvido
é uma condição essencial para a nitrificação. Este oxigênio é carreado para o interior do meio
filtrante via convecção e difusão atmosférica, bem como através das macrófitas (PHILIPPI e
SEZERINO, 2004).
No primeiro passo, a amônia é oxidada a nitrito em uma reação aeróbia catalisada
pelas bactérias Nitrosomonas, como é mostrado na equação abaixo: (PHILIPPI e SEZERINO,
2004).
Equação 1 - Oxidação do íon amônio em nitrito
2NH4
+ + 3O2 → 2NO2
- + 4H+ + 2H2O + Energia
A ocorrência de qualquer nitrificação em WC deve ocorrer principalmente na zona
radicular, adjacente ao rizoma ou próxima à superfície do leito, onde pode ocorrer alguma
transferência de oxigênio para o sistema. Caso ocorra nitrificação, esta deve ser processada
mais na parte final do leito, em que a demanda por oxigênio para degradação da matéria
orgânica é menor (USEPA, 2000).
O nitrito produzido é oxidado aerobiamente através de bactérias Nitrobacter,
formando nitrato, como segue (USEPA, 2000):
Equação 2 - Oxidação do nitrito a nitrato
2NO2
- + O2→ 2NO3
- + Energia
Como já comentado, as raízes e rizomas da vegetação possuem microsítios aeróbicos
em sua superfície. Desta forma, a água residuária teria, a partir do fluxo através do leito,
oportunidades recorrentes de estar em contato com esses locais aeróbios em um meio que, em
sua grande parte, é anaeróbio (KADLEC e KNIGHT, 1996).
De toda forma, nenhum consenso foi atingido sobre o quanto de oxigênio pode ser
fornecido para a rizosfera em Wetlands horizontais de fluxo subsuperficial, bem como a
transferência de oxigênio fornecida pelas diferentes espécies de plantas. No entanto, há
desacordo sobre o quanto de oxigênio é disponível na a superfície das raízes para suportar a
atividade biológica e outros compostos orgânicos naturalmente presentes pode utilizar a maior
parte desse oxigênio (CRITES et al., 2005).
40
3.6.1.3 Desnitrificação
A desnitrificação é o processo no qual o nitrato é reduzido, em condições anóxicas,
para uma forma gasosa. A reação é catalisada pelas bactérias desnitrificantes Pseudomonas
spp. e outras bactérias, como segue (COOPER et al., 1996):
Equação 3 - Processo de desnitrificação
2NO3
- + 2H+
→ N2 + 4H+ + 2,5O2 + H2O
A desnitrificação requer nitrato, condições anóxicas e fontes de carbono (prontamente
biodegradável). É necessário que a nitrificação preceda a desnitrificação, sendo a presença
nitrato um dos pré-requisitos para sua ocorrência. O processo de desnitrificação é dependente
do pH: em pH entre 5-6, é produzido N2O; em pH abaixo de 5, N2 é o principal produto
nitrogenado; o NH4
+ é a forma dominante de nitrogênio-amoniacal a um pH de 7; o NH3 é
predominante a um pH de 12 (KEFFALA e GHRABI, 2005).
A desnitrificação é essencialmente um processo complementar que acompanha o
metabolismo heterotrófico num ambiente aquático ou no solo, quando oxigênio dissolvido ou
livre é parcialmente ausente (ambiente anóxico). O metabolismo heterotrófico aeróbio usa
oxigênio como o aceptor de elétrons numa cadeia de transporte de elétrons após o ciclo de
Krebs (U.S. EPA, 1993).
Na desnitrificação, a enzima nitrato redutase, permite a certos gêneros de bactérias
usar os átomos de oxigênio mais fortemente ligados às moléculas de nitrato e nitrito, sendo o
nitrito um aceptor final de elétrons. Os gêneros mais comuns de bactérias facultativas que
realizam a desnitrificação são: Bacillum, Enterobacter, Micrococus, Pseudomonas e Spirillum
(U.S. EPA, 1993). Estes gêneros podem alternar facilmente de um metabolismo anóxico para
aeróbio devido às similaridades bioquímicas destes dois processos. Contudo, como o uso do
oxigênio livre como um aceptor final de elétrons gera mais energia (aproximadamente 686
kcal/mol de glicose) do que o uso de nitrato (aproximadamente 570 kcal/mol de glicose), logo
estes organismos tipicamente não desnitrificarão nitrato na presença de oxigênio livre
(COOPER et al., 1996).
41
A desnitrificação tem sido observada em sistemas de crescimento aderido ou suspenso
com baixa concentração de oxigênio dissolvido (OD). Estas observações são explicadas pela
presença de microscópicas zonas anóxicas que provavelmente ocorrem em filmes de bactérias
(KADLEC & KNIGHT, 1996).
A desnitrificação foi observada em numerosas Wetlands (PHIPPS &
CRUMPTON,1994 e VAN OOSTROM, 1994). O nitrato formado pela nitrificação em
Wetlands tende a difundir dentro das camadas de solos, tornando-os anóxicos, favorecendo a
ocorrência da desnitrificação (REDDY & PATRICK, 1984).
As bactérias desnitrificantes são mais abundantes do que as nitrificantes, nos Wetlands
de FS e de FSS. As bactérias desnitrificantes foram encontradas nas camadas material suporte
em níveis de aproximadamente 107 a 108 bactérias por grama de pedra, sendo que a maioria
delas estava mais associada com as raízes do que com as pedras (MAY et. al., 1990).
3.6.1.4 Assimilação pelas plantas
Todas as plantas, tais como as macrófitas, requerem nutrientes para seu crescimento e
reprodução. Estudos sobre a variação mensal ou sazonal da composição química de
macrófitas têm mostrado que, em relação a alguns elementos como o fósforo, nitrogênio e
compostos como carboidratos, proteínas e lipídios, as concentrações variam constantemente.
Estas variações estão ligadas à dinâmica da comunidade de macrófitas, à disponibilidade de
nutrientes do meio e a fatores climáticos, que possibilitem estocá-los, metabolizá-los,
translocá-los ou mesmo excretá-los para o meio ambiente (ESTEVES, 1998 apud PHILIPPI e
SEZERINO, 2004).
A forma de incorporação do nitrogênio na biomassa das macrófitas é a assimilação.
Este processo refere-se a uma variedade de processos biológicos que convertem formas
inorgânicas do nitrogênio para compostos orgânicos, que servem de reserva para as células e
os tecidos das plantas. As duas formas de nitrogênio geralmente utilizadas são a amônia e o
nitrato. Porém, a amônia, por ser mais reduzida energeticamente do que o nitrato, torna-se
42
fonte preferencial em ambientes onde o nitrato é predominante este será, então, a maior fonte
de nitrogênio passível de ser assimilado (KADLEC e KNIGHT, 1996).
As macrófitas utilizam enzimas (nitrato redutase e nitrito redutase) para converter o
nitrogênio oxidado às formas usuais. Porém, a produção destas enzimas diminui quando o
nitrogênio amoniacal está presente (MELZER e EXLER, 1982 apud KADLEC e KNIGHT,
1996). Este processo é relevante em ambientes onde se têm nitrato e amônia em
concentrações elevadas, pois a assimilação pela planta poderá ser inibida e o nitrato não ser
assimilado. (COOPER et al., 1996).
A capacidade de retirada de nitrogênio e assimilação pelas macrófitas que pode ser
removida se a planta for podada, segundo Brix (1997), é aproximadamente entre a faixa de
200 a 2500 kg N.ha-1.ano-1. O mesmo autor indica que, se as plantas não forem podadas, uma
grande quantidade de nitrogênio que foi incorporada à biomassa retornará ao meio devido à
morte e à decomposição dos seus tecidos.
3.6.1.5 Volatilização da amônia
A NH3 é relativamente volátil e pode ser removida da solução para a atmosfera por
meio de difusão. A NH3 geralmente é uma fração pequena em Wetlands, compreendendo
menos do que 1% em pH próximo ao neutro e temperatura entre 0 e 25°C (Figura 05)
(KADLEC & KNIGHT, 1996).
43
Figura 5 - Distribuição de NH3 e NH4+ na água
Fonte: KADLEC & KNIGHT (1996)
3.6.2 Fósforo
O fósforo (P) está presente nas águas residuárias em baixas concentrações, ocorrendo
principalmente na forma de fosfato, incluindo o fosfato orgânico, presente em proteínas,
lipídios e aminoácidos, e inorgânico, sob as formas de orto e polifosfato.. Os ortofosfatos são
mais facilmente disponíveis ao metabolismo biológico, enquanto que os polifosfatos
necessitam sofrer hidrólise, geralmente lenta, até alcançar a forma de ortofosfatos. As maiores
fontes de fósforo nas águas residuárias são provenientes de excretas humanas ou animais,
detergentes e elementos químicos utilizados no tratamento de água de abastecimento. Sua
liberação para as águas superficiais é uma preocupação ambiental, porque é um nutriente
essencial, enquanto limitante, para o crescimento de organismos na maioria dos ecossistemas,
sendo a causa principal da eutrofização (PHILIPPI e SEZERINO, 2004).
44
De acordo com Crites et al. (2005), os mecanismos de retenção deste elemento em
Wetlands, de uma forma geral, incluem captação e liberação pela vegetação, perifiton e
microrganismos; adsorção e reações de troca com o leito e sedimentos; precipitação química;
e sedimentação. Estes mecanismos exemplificam a combinação biológica, física e química de
retenção de P em Wetlands. Assim, ao avaliar a capacidade de retenção de P nesses sistemas,
devem ser considerados ambos os processos bióticos e abióticos (DORNELAS, 2008).
As reações de adsorção e precipitação ocorrem quando da presença no material
filtrante de minerais como o cálcio (Ca), alumínio (Al) e o ferro (Fe) (ARIAS et al., 2001
apud PHILIPPI e SEZERINO, 2004). Estas reações são controladas pela interação do pH e
potencial redox com os minerais presentes, bem como a área superficial dos grãos (COOPER
et al., 1996).
A precipitação de fósforo com cálcio ocorre sob valores de pH neutro a alcalinos e,
com ferro ou alumínio, sob valores de pH ácido (TCHOBANOGLOUS e BURTON, 1991;
ARIAS ET al., 2001 apud PHILIPPI e SEZERINO, 2004). O fosfato pode ser desprendido
(dessorção) de complexos, dependendo do potencial redox no meio. Em condições anóxicas,
fosfatos podem ser re-liberados dos fosfatos de ferro ou de alumínio por hidrólise e por
solubilização, sendo os compostos de ferro reduzidos a composto de ferro mais solúvel.
Fosfatos adsorvidos a óxidos e dióxidos também podem ser ressolubilizados por meio de
troca de ânions (PHILIPPI e SEZERINO, 2004).
A absorção de fosfatos por bactérias ocorre em curto tempo, representando um
mecanismo de ciclagem rápida de formas solúveis e insolúveis. A ciclagem devida ao
crescimento, à morte e ao processo de decomposição faz com que a maioria dos fosfatos
retorne para a massa de água. Nesse intermédio, alguns fosfatos são desprendidos devido ao
longo do tempo requerido para efetiva cristalização em um recém-formado sedimento
(USEPA, 2000). À medida que alguns sais minerais se cristalizam no meio, mais difícil se
torna sua ressolubilização (BRASIL, 2005).
O aumento da biomassa vegetativa pelo crescimento das macrófitas não deve ser
diretamente relacionado com a capacidade de remoção do fósforo a longo prazo nos
Wetlands, porque os tecidos destas plantas irão se decompor e liberá-lo novamente ao
ambiente, depois de sua morte. Essa liberação não ocorre somente pela parte foliar, mas
45
também pelo caule, rizoma e raízes, que podem conter grande quantidade de fósforo
translocado, quando a planta atinge sua maturação e tende a morrer. Portanto, a simples poda
e retirada do material vegetal não garante, nesse caso específico do fósforo, a remoção do
nutriente utilizado no metabolismo das macrófitas (KADLEC e KNIGHT, 1996).
Sabe-se, portanto, que a capacidade dos Wetlands de removerem P é limitada, quando
comparada com a capacidade de remoção de N, já que não há nenhum mecanismo de perda
permanente de P nesses sistemas, análogo à desnitrificação. Dessa forma, o P tende a se
acumular em Wetlands em maior taxa do que o N. Portanto, se a remoção de fósforo é o
principal objetivo, deve-se considerar a troca do material de enchimento periodicamente
(DORNELAS, 2008).
Estudos realizados por Mitsch & Gosselink (1993), macrófitas em Wetlands
localizadas no norte dos Estados Unidos apresentaram uma rotatividade de um a dois, o que
significa que o material vivo acima do solo é substituído de uma a duas vezes ao ano. A
rotatividade foi de 3 a 6 em regiões quentes como a Flórida (KADLEC & KNIGHT, 1996).
Figura 6 - Ciclo do fósforo na biomassa em Wetlands
Fonte: KADLEC & KNIGHT (1996).
46
3.6.3 Patógenos
Patógenos são organismos causadores de doenças (por exemplo, bactérias, vírus,
fungos, protozoários, helmintos). As WHSS são muito eficientes na remoção de patógenos,
reduzindo seu número em até cinco ordens de magnitude em relação ao afluente (REED et al.,
1995).
Os processos que podem remover patógenos em Wetlands incluem morte natural do
organismo, sedimentação, filtração, exposição aos biocidas excretados pelas raízes de
algumas plantas, característica química desfavorável da água, como pH, efeitos da
temperatura e predação por outros organismos (KADLEC e KNIGHT, 1996).
Kadlec e Knight (1996) mostraram que Wetlands vegetadas aparentam ser mais
eficientes na remoção de patógenos, já que permitem o crescimento de uma variedade de
microrganismos que podem ser predadores dos mesmos. Estudos comparativos realizados por
Decamp e Warren (2000), em escala piloto, a fim de determinar as taxas de remoção de
Escherichia coli e investigar sua cinética de remoção em Wetlands horizontais de fluxo
subsuperficial com configurações geométricas diferentes, alcançaram eficiências entre 96.6–
98.9%.
3.6.4 Matéria Orgânica
A comunidade microbiológica encontra-se dispersa nos interstícios do meio filtrante
ou aderido a ele, formando o biofilme. Esses microrganismos necessitam de uma fonte de
energia e de carbono. A fonte de energia pode ser a luz solar, ou por reações de oxidação-
redução. A matéria orgânica presente nas águas residuárias é medida indiretamente pela
Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) ou Demanda Química de Oxigênio (DQO) (DE
PAOLI, 2010).
Em relação à fonte de carbono para o seu metabolismo e reprodução, esses
microrganismos podem ser classificados em dois grupos: (1) autotróficos, que utilizam o
dióxido de carbono da atmosfera – CO2, ou (2) heterotróficos, que utilizam o carbono
47
orgânico. O grupo mais importante na degradação do material orgânico em WHFSS são os
heterótrofos (KADLEC e KNIGHT, 1996).
A remoção de material orgânico das águas residuárias em WHFSS se processa através
de mecanismos biológicos de decomposição aeróbia, com a utilização de oxigênio como
aceptor final de elétrons (agente oxidante), mas principalmente por decomposição anaeróbia,
em que os microrganismos utilizam outros aceptores de elétrons que não o oxigênio, como
nitratos, sulfatos e gás carbônico (DE PAOLI, 2010).
Na decomposição aeróbia, a matéria orgânica solúvel é removida por bactérias
heterotróficas, de acordo com a seguinte reação (COOPER et al., 1996).
Equação 4 - Decomposição aeróbia da matéria orgânica
CH2O + O2 → CO2 + H2O
No processo de degradação anaeróbia, as reações são mediadas por bactérias
facultativas ou anaeróbias estritas, processando-se através de duas etapas: a primeira
caracterizada pela conversão da matéria orgânica, geração de ácidos e alcoóis por bactérias
formadoras de ácidos. A segunda, promovida por bactérias formadoras de metano, dá-se com
contínua conversão da matéria orgânica para a síntese de novas células, a metano e dióxido de
carbono, resumida na seguinte reação (COOPER et al., 1996):
Equação 5 - Conversão da matéria orgânica para síntese de novas células
Matéria orgânica + Bactérias => álcool, ácidos e novas células => bactérias => CH4, H2S,
CO2, H2O, novas células
A maior parte da matéria orgânica nas WHFSS é degradada anaerobiamente devido às
condições de saturação do meio e aos poucos mecanismos de oxigenação, em que se destacam
a troca atmosférica e o metabolismo das plantas (BRASIL, 2005).
48
3.6.5 Sólidos Totais
Com relação aos sólidos suspensos, destacam-se os processos de sedimentação, de
filtração pelas raízes das macrófitas e pelo substrato, e também, pela decomposição aeróbia e
anaeróbia. Para os sólidos dissolvidos, a eficiência de remoção está relacionada aos processos
de adsorção dos rizomas das macrófitas e do solo, precipitação e co-precipitação com
componentes insolúveis, oxidação pelos microorganismos e a assimilação pelas plantas e
microbiota (KADLEC et al., 2000; WATSON et al., 1989).
Os sedimentos e microdetritos dos alagados que foram precipitados podem ser
facilmente ressuspendidos, levando a um aumento de sólidos suspensos no efluente
(KADLEC et al., 2000).
O processo físico de sedimentação e filtração dos sólidos suspensos, tanto pelo meio
suporte quanto pelas raízes, também é responsável pela remoção de porções significativas de
outros constituintes das águas residuárias como DBO, nutrientes e patógenos (FAULKNER,
1989.; RICHARDSON, 1989).
3.7 Áreas alagadas construídas no Brasil
Os primeiros estudos sobre sistemas de áreas alagadas construídas no Brasil
resultaram de observações de sistemas naturais de áreas inundáveis da Amazônia. A primeira
tentativa de utilizar a capacidade depuradora desses sistemas foi feita por Salati e Rodrigues
(1982). Os experimentos iniciais lograram êxito e, desde então, novas tecnologias têm sido
desenvolvidas buscando o aumento de eficiência e redução de custo.
Durante o período de maio de 1991 a abril de 1993, Leopoldo e Conte (1996)
monitoraram o que foi denominado de processos fitopedológicos (determina as relações e as
interações do solo com as plantas), aplicados ao tratamento de águas residuárias domésticas.
Na verdade, estes eram sistemas de áreas alagadas construídas com o emprego de areia grossa
de alta permeabilidade como solos filtrantes e suporte para macrófitas aquáticas (Thypha spp.,
Juncaceae sellovianus e Hedychium coronarium). Esses autores relataram eficiências de 89%,
remoção de matéria orgânica, em termos de DBO, de 92% de sólidos em suspensão e de
49
fosfato e nitrogênio amoniacal na ordem de 49 e 44%, respectivamente. Entretanto, os
parâmetros microbiológicos não foram analisados por esses autores.
Costa et al. (2003) também monitoraram sistemas áreas alagadas construídas que
tratavam águas residuárias domésticas, durante sete meses, de janeiro a julho de 2001, e
evidenciaram a eficiência desses sistemas quanto à remoção de matéria orgânica (88% em
termos de DBO e de coliformes termotolerantes (3,4 unidades logarítmicas). Sousa et al.
(2004), monitorando um mesmo sistema por três anos, mostraram que a partir do segundo ano
houve significativo decaimento da remoção de fósforo, fenômeno que, provavelmente, resulta
da saturação do meio por este composto. A eficiência para os outros parâmetros continuou a
mesma, e a eficiência na remoção de coliformes termotolerantes, desta vez relatada, foi de
aproximadamente quatro unidades logarítmicas.
Tundisi et al. (2002) constataram que o uso de áreas alagadas para remoção de matéria
orgânica, nutrientes e sólidos suspensos de águas residuárias de pequenas comunidades é
estimulante. Mesmo com o grande número de projetos em andamento e sistemas em operação,
ainda restam dúvidas e conceitos equivocados em relação à aplicação, ao projeto e ao
desempenho. Para a USEPA (2000), a habilidade desses sistemas em remover nitrogênio e
fósforo tem sido frequentemente superestimada
Segundo Lautenschlager (2001), como a complexidade ecossistêmica das Wetlands é
grande e ainda com pouco conhecimento adequado das respostas que esses sistemas podem
apresentar, uma grande parcela de empirismo e incerteza ainda está embutida no
dimensionamento desses sistemas, o que não é aceitável nos dias atuais, dado que as políticas
públicas de engenharia sanitária e de planejamento e gerenciamento dos recursos hídricos
devem estar calcadas em bases científicas, tanto para controle das cargas poluidoras, quanto
para propor tecnologias simples e viáveis de tratamento de esgoto.
Além disso, um benefício indireto dos sistemas de WC é, quando atuam na melhoria
da qualidade de águas residuárias, converter potenciais ameaças em oportunidades. Os WC
transformam poluentes presentes nas águas residuárias, por exemplo os nutrientes, em
biomassa, que pode ser utilizada como alguma forma de bioenergia para a comunidade local
(UNEP, 2004).
50
4 METODOLOGIA
4.1 Local de estudo
O sistema Wetland estudado situa-se no Condomínio Residencial Floresta, na cidade
de Lajeado – RS (Figura 07). Foi implantado em 2011 (com Licença de Operação até os dias
atuais), com o intuito de melhorar a qualidade do efluente tratado por reator do tipo UASB e
filtro anaeróbio.
A implantação do sistema Wetland para polimento final do esgoto tratado foi iniciativa
do próprio empreendedor. Não há exigência legal para o pós-tratamento de efluentes
domésticos no Brasil, porém a empresa construtora, trabalhando com a responsabilidade
ambiental e social em seus empreendimentos, pretende ser pioneira na região ao propor um
sistema de pós-tratamento de esgoto de forma sustentável, capaz de descartar ao ambiente um
efluente de menor impacto aos recursos hídricos e à biota.
Fonte: O empreendedor
Figura 7 - Imagem dos blocos residenciais e macrófitas do Sistema de WC.
51
A implantação do WC proporciona um ganho ambiental, já que é uma forma de
complementação do tratamento a nível secundário existente. Desta forma, é possível reduzir o
impacto eutrofizante dos sistemas anaeróbios (filtro anaeróbio e reator UASB), visto que os
mesmos não apresentam eficiência na remoção de nutrientes, principalmente N e P.
4.2 Descrição do tratamento
O pós-tratamento do efluente doméstico, gerado no Condomínio Residencial Floresta,
é realizado através de sistema WC. O tratamento a nível primário e secundário do
Condomínio Residencial Floresta é realizado via Estação Compacta de Tratamento de Esgoto
– TUCUNARÉ, da empresa Bakof Indústria e Comércio de Fiberglass Ltda. Na literatura
científica, este sistema de tratamento é chamado de Reator Anaeróbio de Manta de Lodo de
Fluxo Ascendente - Reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), seguido de Filtro
Anaeróbio. O objetivo principal deste tratamento é a remoção de carga orgânica, sob a forma
de demanda bioquímica (DBO) e química de oxigênio (DQO). A redução destes parâmetros
minimiza o impacto decorrente da depleção de oxigênio dissolvido (OD) em corpos hídricos,
inerentes ao esgoto não tratado.
4.3 Projeto Wetland construído condomínio residencial floresta – memorial de cálculo
4.3.1 A legislação pertinente
As especificações vigentes para o descarte de efluentes domésticos na Legislação
Brasileira se encontram presentes na Resolução CONAMA 357/05, já os estados contêm
Decretos e Resoluções no que concerne aos padrões de lançamento. No Estado do Rio Grande
do Sul, a Resolução CONSEMA 128/06 estabelece a necessidade mínima das seguintes
análises físicas, químicas e microbiológicas do afluente e efluente: OD (mg/L), DBO5
20°C
(mg/L), DQO (mg/L), SSusp (mg/L), nitrogênio amoniacal (mg/L), fósforo total (mg/L), pH e
coliformes termotolerantes (NMP/100 mL). Além disso, no mesmo Estado, a Resolução
52
CONSEMA 129/06 estabelece níveis de toxicidade. Contudo, esta Resolução é aplicável
apenas a vazões de efluentes domésticos iguais ou superiores a 10.000 m3/dia, não se
enquadrando para o presente projeto já que a vazão do Condomínio Residencial Floresta é
bastante inferior.
4.3.2 Estimativa de vazão
A estimativa de vazão para o WC foi realizada a partir da fórmula de vazão média
doméstica per capita (Qdom méd) conforme descrito por von Sperling (1995):
Equação 6 - Vazão média do condomínio
���� �é� =
� �
��çã . ���. �
1000
Em que:
Qdom méd: vazão doméstica média
QPC: quota per capita de água (L/dia)
R: coeficiente de retorno esgoto/água (80%)
No projeto da ETE do Condomínio Residencial Floresta foi previsto o atendimento de
80 famílias, cada uma com 4 indivíduos, ou seja, 320 pessoas.
As especificações do fabricante da Estação Compacta de Tratamento de Esgoto –
TUCUNARÉ (Bakof Indústria e Comércio de Fiberglass Ltda) orientam para contribuição per
capita de 160 litros, conforme determinação da NBR 7229/1993 (ABNT, 1993), para
residência de padrão alto. Desta forma, o dimensionamento do WC foi de acordo com tal
orientação. Assim, a vazão diária estimada para este projeto é de:
53
Equação 7 - Vazão diária do condomínio
���� �é� =
320 ℎ���������. 160 �
��! . 0,8
1000
Qdom méd: 40.960 L/dia ou 40,9 m3/dia
4.3.3 Cálculo da carga poluidora
O cálculo de carga contribuinte se baseia em valores de contribuição per capita
segundo von Sperling (1995):
• Matéria orgânica em termos de DQO: 100 g.(hab.dia)-1
Assim:
Equação 8 - Contribuição DQO/d
DQO: 320 hab . 100 g/hab/dia = 32.000 g DQO/d
• Nitrogênio Total Kjeldahl (NTK): 8 g/hab/dia
Assim:
Equação 9 - Contribuição NTK/d
NTK: 320 hab . 8 g/hab/dia = 2.560 g NTK/d
• Fósforo (Ptotal): 2,5 g/hab/dia
Assim:
Equação 10 - Contribuição Fósforo Total/d
Fósforo Total: 320 hab . 2,5 g/hab/dia = 800 g P/d
54
4.3.4 Cálculo do tempo de detenção hidráulica – TDH no Reator UASB
Equação 11 - TDH no Reator UASB
TDH = V/Q
Onde:
TDH = Tempo de Detenção Hidráulica (d)
V = Volume do Reator UASB (L)
Q = Vazão diária (L/d)
TDH = 22.000/40.960
TDH = 0,54 dias ou aproximadamente 13 horas.
4.3.5 Dimensionamento
O dimensionamento do WC implantado no empreendimento foi de acordo com a carga
remanescente (R), ou seja, a carga não retida na Estação Compacta de Tratamento de Esgoto
que o antecede. Assim, de acordo com a eficiência determinada pelo fabricante e dados da
literatura, determinou-se a carga remanescente de DQO, NTK e Ptotal (Tabela 1). A DQOR
para a carga total levou em consideração a eficiência média de 75% e para NTKR e PtotalR
considerou-se o máximo estabelecido na literatura que é de 25% e 20%, respectivamente.
O dimensionamento também considerou a vazão de esgoto estimada para o
empreendimento, que é de 40,9 m3/dia, bem como o Tempo de Detenção Hidráulico (TDH)
em torno de 5 dias. Ainda não existem orientações brasileiras normatizadas para a construção
de WC. Assim, o dimensionamento seguiu orientações de autores renomados na comunidade
científica como Kadlec & Knight (1996) e Reed (1995), bem como dos autores brasileiros
Philippi & Sezerino (2004). Na Tabela 03 apresentam-se as principais características
operacionais da WC.
55
Tabela 3 - Principais características operacionais da WC:
PARÂMETRO VALOR
TDH médio 5,5 dias
Vazão estimada 40,9 m3/dia
Vazão real (espaço de vazios 50%) 20,5 m3/dia
Área superficial 428 m2
4.4 - Orientações de construção
4.4.1 Escavação e dimensão do tanque
O tanque para comportar o sistema WC foi projetado a partir da escavação do terreno,
observando uma declividade de 0,5 a 1% na direção da saída do efluente tratado. O solo foi
impermeabilizado com argila compactada (já existente no local) e geomembrana de 1,5 mm
de espessura. A fim de proteger a geomembrana devido à entrada de máquinas durante a
colocação do substrato, esta foi recoberta por um geotêxtil (d=200g/m²). Para ancoramento da
geomembrana, foi observado a formação de taludes de 45º ao redor de todo o tanque, bem
como canaletas com aproximadamente de 0,30 m de profundidade. As dimensões estão
mostradas na Tabela 04.
Tabela 4 - : Dimensões construtivas do WC:
Dimensões Quantidade
Comprimento total 40 m
Largura no topo 10,7 m
Largura na base 9,1 m
Profundidade total 0,8 m
Profundidade útil (nível do
efluente)
0,6 m
Inclinação dos taludes 45º
Declividade longitudinal 0,5 a 1%
Fonte: Elaborado pelo autor
Fonte: Elaborado pelo autor
56
4.4.2 Relatório fotográfico das etapas de construção da Wetland
No final do mês de dezembro de 2010, iniciou-se a elaboração do projeto da Wetland
(Ver ANEXO A) e toda a sua infra-estrutura, adentrando o ano de 2011, até início do mês de
fevereiro. As fotos abaixo mostram as etapas construtivas, desde a escavação, até a floração
das plantas.
Fonte: O empreendedor
Fonte: O empreendedor
Figura 8 - Escavação e compactação
Figura 9 - Revestimento com geomembrana
57
Fonte: O empreendedor
4
Fonte: O empreendedor
Figura 10 - Acabamento da conexão da geomembrana na entrada do Wetland
Figura 11 - Colocação do material de enchimento
58
Fonte: O empreendedor
Fonte: O autor
Fonte: O empreendedor
Figura 13 - Etapa da plantação de mudas
Figura 12 - Etapa completa de material de enchimento
59
Fonte: O empreendedor
Fonte: O empreendedor
Figura 14 - Etapa final de conclusão do plantio das duas espécies de plantas
Figura 15 - Etapa de floração da bananeira vermelha
60
4.4.3 Escolha dos materiais e disposição das camadas de substrato
A opção dos materiais utilizados como substrato do Sistema WC seguiu o
regularmente utilizado na literatura científica. O tanque foi preenchido com camadas de
diferentes substratos até a altura de 0,70 m, sendo o nível de efluente mantido em 0,60 m. As
dimensões e o material foram dispostos conforme a figura 16.
Figura 16 - Disposição das camadas de substrato
Fonte: O empreendedor
As barreiras do tipo chicanas foram projetadas a cada 5 m. Como a figura acima
mostra, foram deixados canais de drenagem no momento da construção das chicanas, sendo
de forma intercalada com a presença e ausência de tais canais entre as chicanas para evitar
caminhos preferenciais.
61
4.4.4 Manutenção do fluxo subsuperficial do WC
Como já mencionado, o fluxo do sistema se deu por escoamento subsuperficial, em
função da não liberação de odores, menor risco de contato humano e não necessitar de
controle de vetores, já que não há formação de lâmina de água (efluente).
A entrada do efluente foi projetada a 0,65 m por tubulação de esgoto de diâmetro de
100 mm, devido esta ser a dimensão mínima para coletores prediais e também por ser
suficiente para transportar o esgoto de 320 pessoas. Quando na entrada do tanque, esta foi
subdividida para as laterais do tanque de forma a distribuir o efluente homogeneamente por
toda a largura. Esta subdivisão foi realizada através de tubo de esgoto de diâmetro de 50 mm.
Neste foi feito furos de 4 a 10 mm a cada 0,10 m na parte inferior, conforme figura 6. Para a
tubulação de saída, utilizou-se tubo de esgoto de diâmetro de 100 mm a altura de 0,6 m,
mantendo o nível subsuperficial do efluente no tanque.
4.4.5 Escolha das espécies de macrófitas aquáticas
A escolha das espécies utilizadas se baseou em seu potencial de fitorremediação e
também paisagístico. Além disso, optou-se por espécies nativas que já são adaptadas ao clima
local. Espécies exóticas só foram escolhidas pelo conhecido potencial na fitorremediação. Na
tabela 05 são apresentadas as espécies empregadas na WC e os respectivos autores que as
estudaram. A densidade do plantio foi de 4 a 5 mudas/m2.
Tabela 5 - Escolha das espécies de plantas utilizadas no sistema WC
Nome popular Espécie Testada por Nº de
mudas
Bananeira ou cana
amarela
Canna indica Kaick & Macedo,
2008
557
Bananeira ou cana
vermelha
Canna indica Kaick & Macedo,
2008
532
Vetiver Vetiveria
zizanioides
Alves et al., 2008 911
TOTAL 2.000
Fonte: O empreendedor
62
4.4.6 Pontos de monitoramento
Para a verificação da eficiência e possibilitar a coleta de amostras, foram instaladas
caixas de inspeção em alvenaria na entrada e na saída do efluente do sistema WC.
4.4.7 Manutenção do sistema
De acordo com o Projeto Hidráulico Sanitário do fabricante da Estação Compacta,
recomenda-se a remoção de 2.000 litros de lodo a cada 5 ou 6 meses, no caso de utilização do
equipamento em máxima carga hidráulica e orgânica.
A manutenção do sistema WC foi realizada apenas com o monitoramento das mudas e
verificação da necessidade da retirada de folhas secas para a sua melhoria estética.
Recomenda-se a poda semestralmente ou quando se perceber a necessidade, dependendo de
fatores climáticos, para crescimento exacerbado.
A verificação do escoamento do esgoto nas caixas de inspeção (entrada e saída) foi
feita diariamente, a fim de evitar possível obstrução do fluxo. Observa-se na Figura 17 todas
etapas de tratamento do esgoto doméstico no empreendimento.
Figura 17 - Fluxograma do tratamento do esgoto doméstico do Condomínio Residencial
Floresta.
63
4.5 Monitoramento da WC no condomínio residencial
4.5.1 Pontos de coleta do efluente
Para a verificação da eficiência do sistema WC foram estabelecidos pontos de coleta
do afluente e efluente para encaminhamento das análises laboratoriais.
Foram definidas como pontos de coleta de amostras:
- Entrada: efluente já tratado na ETE Compacta, sendo coletado na caixa de inspeção
antes da entrada do sistema WC;
- Saída: efluente já tratado no sistema WC, sendo coletado na caixa de inspeção após
a saída do sistema.
4.5.2- Monitoramento
Desde sua implantação, no ano de 2011, foram realizadas análises semanais e mensais,
de acordo com a Resolução CONSEMA 128/06 para esgotos domésticos, sendo avaliados os
parâmetros prioritários: OD (mg/L), DBO5 20°C (mg/L), DQO (mg/L), SSusp (mg/L),
nitrogênio amoniacal (mg/L), fósforo total (mg/L), pH e coliformes termotolerantes
(NMP/100 mL). Além destas, também foram analisados os parâmetros turbidez (NTU),
Nitrogênio Total Kjedahl (NTK) (mg/L), temperatura do ar (ºC), temperatura do efluente (ºC)
e coliformes totais (NMP/100 mL). Todas as coletas e análises dos parâmetros foram
realizados por Laboratório credenciado à FEPAM.
4.5.3 Relatório Fotográfico
As fotos abaixo relacionadas mostram a WC em operação, até os dias atuais.
64