Wetlands construídos

Os wetlands construídos (WC) consistem em uma tecnologia sustentável que evoluiu muito nas últimas décadas, desde as primeiras aplicações, na década de 1950 (KADLEC e WALLACE, 2009). Atualmente, esta tecnologia é considerada uma opção confiável para tratamento de esgoto doméstico ou sanitário, podendo ser aplicada para tratamento de vários tipos de águas residuárias, tais como efluentes industriais (WU, S. et al., 2015; SERRANO et al., 2011; MULIDZI, 2007), lixiviados de aterros sanitários (WOJCIECHOWSKA, 2017; BIALOWIEC et al., 2012), águas residuárias da pecuária (PELISSARI et al., 2014; SEZERINO et al., 2003), como também para tratamento de águas superficiais poluídas (DONG et al., 2012) e desaguamento de lodo (MAGRI et al., 2016; STEFANAKIS e TSIHRINTZIS, 2012a).

O uso de WC para tratamento do esgoto sanitário é atraente para pequenas comunidades (< 2000 pessoas) (CASELLES-OSORIO et al., 2007; MORVANNOU et al., 2011; ADRADOS et al., 2014), e por isso esses sistemas vêm sendo cada vez mais utilizados. Na Europa vários países aderiram à tecnologia, com um total de mais de 10.000 sistemas em operação (STEFANAKIS, AKRATOS e TSIHRINTZIS, 2014).

Os WC são sistemas projetados para utilizar os mesmos componentes (plantas, solo e micro-organismos) e processos de tratamento que ocorrem em

wetlands naturais, mas de forma que seja possível acompanhar/controlar o

tratamento (VYMAZAL, 2005). Os micro-organismos que crescem aderidos ao material suporte e às raízes das plantas são os principais responsáveis pelo tratamento, atuando na ciclagem de nutrientes (STOTTMEISTER et al., 2003).

Existem diversas configurações de WC desenvolvidas ao longo dos anos a fim de atender a objetivos específicos de tratamento. Na figura 1 apresenta-se uma classificação bem abrangente, proposta por Fonder e Headley (2013). Basicamente existem variações quanto ao regime hidráulico aplicado (fluxo superficial ou subsuperficial / vertical ou horizontal / constante ou intermitente, etc.) e quanto ao tipo de vegetação empregada. Além disso, pode haver combinação de dois ou mais tipos de fluxo ou ainda, intensificação dos processos, como por exemplo, com a introdução de aeração artificial (WU, H. et al., 2015).

Figura 1 - Classificação dos wetlands construídos

Nota: Tipo de alimentação: subsuperficial (subsu); superficial (super) ou; basal. Fonte: Adaptado de Fonder e Headley (2013).

No Brasil, os WC também são conhecidos por: zonas de raízes, filtros plantados com macrófitas, banhados construídos, sistemas alagados construídos, leitos cultivados, biofiltros com macrófitas, entre outros (SEZERINO et al., 2015). Contudo, como o termo wetland é utilizado na literatura internacional, neste trabalho optou-se pela utilização do mesmo, destacando a necessidade de uma padronização de nomenclatura.

WETLANDS CONSTRUÍDOS

FLUXO SUPERFICIAL FLUXO SUBSUPERFICIAL

HORIZONTAL

CONSTANTE

HORIZONTAL VERTICAL

CONSTANTE

MISTO DESCENDENTE ASCENDENTE

DRENAGEM LIVRE INTERMITENTE CONSTANTE INTERMITENTE PEDUNCULADAS COM FOLHAS LIVRES FLUTUANTES EMERGENTES R E G IM E H ID R Á U L IC O V E G E TA Ç Ã O M O D A L ID A D E T ip o d e e sco a m e n to S e n tid o d o e sco a m e n to S a tu ra çã o Al im e n ta çã o Se ssi lid a d e F o rm a d e cre sci m e n to T ip o s , v a ri a n te s

SUBSU SUPER SUBSU SUPER SUBSU SUPER BASAL

EMERGENTES SUBMERSAS FOLHAS FLUTUANTES FLUTUANTES LIVRES FLUXO SUPERFICIAL MACRÓFITAS FLUTUANTES LIVRES MACRÓFITAS EMERGENTES FLUTUANTES FLUXO SUBSUPERFICIAL

HORIZONTAL VERTICAL COM CICLOS DE ENCHIMENTO E DRENAGEM

VERTICAL DESCENDENTE

VERTICAL ASCENDENTE

1.2.3 Wetland construído de fluxo vertical

Nos últimos anos, trabalhos de pesquisa foram direcionados a WCFV, pois

são concebidos como sistemas muito eficientes não apenas para remoção de DBO5

e SST, mas também na nitrificação, mesmo em clima frio (WANG, M. et al., 2017) e/ou recebendo altas taxas de carregamento.

Existem diversas variações de WCFV. Além das apresentadas na figura 1, alguns autores distinguem os WCFV de acordo com a direção do fluxo ao longo do eixo vertical e também de acordo com o nível e duração da saturação. As variantes apresentadas por Stefanakis, Akratos e Tsihrintzis (2014) são: (i) WCFV com fluxo intermitente descendente (down flow VFCW); (ii) WCFV com recirculação; (iii) WCFV com ciclos de enchimento e drenagem (tidal flow); (iv) WCFV saturados com fluxo ascendente; (v) WCFV saturados com fluxo descendente e; (vi) WCFV integrados (WCFV descendente seguido de WCFV ascendente).

Porém, o tipo mais comumente utilizado é WCFV de fluxo descendente (Figura 2). Este conceito operacional de WCFV foi inicialmente introduzido por Seidel (1965) ao empregar um WCFV como estágio intermediário, localizado após um tanque séptico e antes de um wetland construído de fluxo horizontal (WCFH) (TSWCFVWCFH). A partir de então, a tecnologia se desenvolveu na Europa para possibilitar altos níveis de transferência de oxigênio e consequentemente, produzir efluentes nitrificados (KADLEC e WALLACE, 2009).

Figura 2 - Esquema representando um WCFV de fluxo descendente. 1) afluente; 2) tubulação de alimentação; 3) tubulação de drenagem; 4) sentido do fluxo; 5) macrófitas 6) impermeabilização; 7) material filtrante; 8) efluente final.

Fonte: A autora. 2 1 5 3 2 4 6 8 7

Nesse tipo de sistema, a alimentação é realizada de forma intermitente, com entrada de esgoto na superfície do leito em curtos períodos de tempo. Geralmente, se utiliza uma rede de tubos perfurados para garantir uma distribuição uniforme sobre toda a superfície do leito. O esgoto aplicado é então, drenado verticalmente através do material filtrante, por gravidade, até o fundo do leito, onde existe uma tubulação para drenagem do efluente tratado. Assim que ocorre a drenagem, o ar atmosférico entra no material filtrante, preenchendo os espaços vazios, possibilitando assim, que os processos de tratamento ocorram aerobicamente. Geralmente, o número de bateladas por dia varia de 3 a 10 (STEFANAKIS, AKRATOS e TSIHRINTZIS, 2014). Hoffmann et al. (2011) recomendam que a alimentação de WCFV seja realizada por meio de 4 a 12 pulsos por dia, todos de curta duração, e longos períodos de descanso entre as alimentações, a fim de permitir a completa drenagem do efluente entre as bateladas e aumentar a transferência de oxigênio para o material filtrante.

Contudo, a partir da configuração básica de WCFV com fluxo intermitente e descendente, podem ser feitas modificações no sistema para possibilitar maior transferência de oxigênio para o material filtrante, e consequentemente maximizar o desempenho, principalmente no que diz respeito às transformações de nitrogênio. Exemplos de modificações adotadas são: a adoção de aeração artificial (DONG et al., 2012); tubos de ventilação (BRIX e ARIAS, 2005); operação com ciclos de enchimento e esvaziamento (tidal flow) (SUN, ZHAO e ALLEN, 2005); e recirculação do efluente (BRIX e ARIAS, 2005). A recirculação, devido à importância para a pesquisa, apresenta-se descrita com detalhes no item 1.2.4.

1.2.4 Wetlands construídos de fluxo vertical com recirculação

A recirculação do efluente tratado tem sido proposta como estratégia para aumentar a eficiência de WCFV (BRIX e ARIAS, 2005). A recirculação faz aumentar o tempo de percolação e fornece entrada de oxigênio adicional por convecção (PLATZER, 1999).

A estratégia de recirculação já foi adotada em várias configurações de WCFV, para diferentes finalidades de tratamento. Em WCFV do tipo sistema francês de um único estágio, utilizando razão de recirculação de 100%, Prost-Boucle e Molle (2012) obtiveram eficiências semelhantes às encontradas na configuração clássica de

sistema francês (remoção de 85% para DQO e de 50-60 % para NTK), porém, com menor demanda de área.

A recirculação também já foi aplicada em WCFV para tratamento de águas residuárias contendo elevada concentração de matéria orgânica. Nesse aspecto, He et al. (2006a) tratando águas residuárias da suinocultura (carga em torno de 170 g DQO m-2 d-1), obtiveram com a recirculação um considerável aumento da remoção de DBO5, SST e N-NH4+ (de 50%, 49% e 36% sem recirculação para 81%, 77% e 62% com recirculação, respectivamente) e atribuíram os resultados à maior interação entre os poluentes contidos na água residuária com os micro-organismos aderidos às raízes das plantas e às superfícies das britas. Tratando o mesmo tipo de água residuária, Huang et al. (2013) verificaram com a recirculação, maiores

remoções de N-NH4+, NT e PT, contudo, não observaram o mesmo para a DQO.

Para tratamento de esgoto doméstico com alta carga (83 g DQO m-2 d-1), Foladori, Ruaben e Ortigara (2013) obtiveram maiores cargas removidas com o uso da recirculação em WCFV, tanto para DQO quanto para nitrogênio, alcançando eficiente nitrificação e desnitrificação, o que segundo os autores, possibilita redução

na demanda de área para 1,5 m2.pessoa-1.

Outra possibilidade estudada consiste em levar o efluente nitrificado no WCFV de volta para o tratamento primário (tanque séptico, por exemplo). Assim, o carbono contido no esgoto bruto juntamente com as condições anóxicas da unidade primária podem favorecer o processo de desnitrificação (PLATZER, 1999; ARIAS, BRIX e MARTI, 2005). Além disso, a recirculação proporciona diluição do esgoto, o que muitas vezes é importante para que se consiga atingir baixas concentrações no efluente final, principalmente no caso do esgoto de residências unifamiliares, cujas

concentrações de nitrogênio amoniacal podem ser superiores a 100 mg L-1 (BRIX e

ARIAS, 2005).

A utilização de sistema de tanque séptico seguido de WCFV, com recirculação de efluente nitrificado de volta para o tanque séptico, foi estudada na Dinamarca (BRIX, ARIAS e JOHANSEN, 2002, 2003; MARTI et al., 2003; ARIAS, BRIX e MARTI, 2005). Arias, Brix e Marti (2005) obtiveram remoção de NT variando de 1% (sem recirculação), a 52%, 66% e 68% para razões de recirculação de 100%, 200% e 300%, respectivamente, com nitrificação completa, independente da taxa de recirculação. Os resultados satisfatórios fizeram com que o governo da Dinamarca adotasse esta configuração como forma de tratamento descentralizado de efluentes

domésticos. A recomendação na Dinamarca é utilizar uma taxa de recirculação de 100% em WCFV com areia como material filtrante, a fim de atingir 95% de remoção de DBO, 90% de nitrificação, melhorar a desnitrificação e estabilizar o desempenho de tratamento do sistema (BRIX e ARIAS, 2005).