Zonas húmidas construídas para tratamento de efluentes

2.2.1. Introdução

As ZHC para tratamento de efluentes são também conhecidas como fito-ETAR, leitos de macrófitas ou ETAR de plantas. São sistemas constituídos genericamente por tanques ou lagoas impermeabilizadas, designados por leitos, total ou parcialmente preenchidos com um material de enchimento, no qual se podem plantar macrófitas que participam activamente no processo de tratamento das águas residuais que fluem através do leito (Kadlec e Wallace, 2009). Na figura 2.5 encontra-se um esquema que ilustra este tipo de sistemas.

Nestes sistemas de tratamento tira-se partido, de forma controlada e optimizada, dos processos e transformações que ocorrem nas zonas húmidas naturais. As ZHC são particularmente indicadas para o tratamento de águas residuais de comunidades pequenas, especialmente em zonas rurais e/ou de difícil acesso, afastadas das grandes ETAR, para onde o encaminhamento dos efluentes a tratar seria dispendioso e pouco prático (Brix et al., 2001; Galvão, 2009; Silvestre et al., 2003). No entanto, nos últimos anos a utilização deste tipo de sistemas em tratamento secundário e/ou terciário de águas residuais urbanas e de efluentes industriais, nomeadamente para a remoção de metais pesados, tem vindo a aumentar (Calheiros et al., 2009; Oliveira, 1995; Wu et al., 2015).

Figura 2.5 – Esquema de uma ZHC para tratamento de águas residuais, com escoamento sub-superficial (adaptado de Kadlec e Wallace, 2009).

Embora sejam também utilizadas em tratamentos primários e secundários, as ZHC utilizam-se com mais frequência em tratamentos terciários de efluentes e integradas em

unidades de tratamento que utilizam também outras tecnologias de tratamento, tal como ilustrado na figura 2.6 (Kadlec e Wallace, 2009).

Figura 2.6 – Esquema de um arranjo típico de um sistema de tratamento de águas residuais utilizando ZHC (adaptado de Kadlec e Wallace, 2009).

O tratamento de águas residuais através de ZHC é uma tecnologia relativamente recente, iniciada na Europa e nos Estados Unidos da América há cerca de quarenta anos e apresenta-se como uma alternativa aos sistemas convencionais de tratamento. Nas ZHC os poluentes são removidos através de processos naturais, sendo esta tecnologia designada frequentemente como “não convencional” (Galvão, 2009).

Os processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem nas ZHC e nas zonas húmidas naturais são semelhantes. Relativamente à remoção de poluentes estes processos incluem filtração e sedimentação de matéria em suspensão, fixação pelos materiais do enchimento e remoção pelas plantas e microrganismos que se desenvolvem nestes sistemas. A fixação de poluentes pelos materiais de enchimento pode envolver adsorção, precipitação química e permuta iónica (Kadlec e Wallace, 2009; Vohla et al., 2011; Vymazal et al., 1998).

Nos sistemas convencionais de tratamento os poluentes sofrem transformações facilitadas pela adição de produtos químicos diversos, agitação mecânica e arejamento forçado (Kadlec e Wallace, 2009). A agitação e arejamento consomem energia e a adição de produtos químicos, além de encarecer o processo, resulta geralmente na formação de grandes quantidades de lamas e sub-produtos com elevada carga química, o que pode apresentar-se como um novo problema a resolver, após o tratamento das águas residuais.

No caso particular do fósforo, a remoção faz-se convencionalmente através de precipitação química mediante a adição sais de cálcio, de magnésio, de ferro e de alumínio. Formam-se fosfatos insolúveis que aumentam a quantidade de lamas e dificultam a eventual recuperação e reciclagem do fósforo, para reutilização como fertilizante agrícola, por exemplo (De-Bashan e Bashan, 2004; Karageorgiou et al., 2007; Oladoja et al., 2013).

No caso da precipitação com ferro ou com alumínio a recuperação e reciclagem do fósforo é mais difícil, e a utilização directa dos materiais de enchimento como substrato para cultivo é pouco viável, pois o alumínio é tóxico para muitas plantas e organismos existentes no solo e os fosfatos de ferro são normalmente inacessíveis às plantas (Oladoja et al., 2013). No caso da precipitação com cálcio e com magnésio, a recuperação do fósforo é mais viável e com a utilização simultânea de cálcio e magnésio, o fósforo precipita conjuntamente com o azoto, dando origem à estruvite (MgNH4PO4.6H2O), um composto que pode ser utilizado directamente como fertilizante agrícola (Oladoja et al., 2013).

As ZHC são uma opção menos consumidora de energia, tal como ilustram os valores da tabela 2.1, e menos geradora de subprodutos indesejáveis do que os sistemas convencionais de tratamento, tanto químicos como biológicos.

Nas zonas húmidas, tanto naturais como artificiais, as transformações sofridas pelos poluentes são semelhantes àquelas que ocorrem nos sistemas convencionais de tratamento. No entanto, as fontes de energia utilizadas nas zonas húmidas são naturais e renováveis, tais como energia solar, eólica e energia das águas (Kadlec e Wallace, 2009). Embora na bombagem dos efluentes seja por vezes necessária alguma energia não renovável. Mas ainda assim, os consumos serão inferiores àqueles verificados noutros sistemas de tratamento.

Tabela 2.1 - Consumo de energia para diferentes tipos de sistemas de tratamento de águas residuais (Kadlec e Wallace, 2009).

Tipo de sistema Caudal tratado (m3/dia)

Consumo energético (kwh/m3). ZHC; escoamento superficial ou sub-superficial --- < 0,1

Lagoas facultativas 3786 0,11 - 0,16

ZHC; escoamento sub-superficial e arejamento 5500 0,16 ZHC com fluxo de maré (ciclos cheio/vazio) 1000 0,18 Filtro de percolação + remoção de azoto 3786 0,61

Lamas activadas + nitrificação 3786 0,76

Embora económicas em termos energéticos, e pouco exigentes em técnicas de manutenção, as ZHC exigem áreas de instalação consideráveis e maiores tempos de residência quando comparadas com outros sistemas de tratamento, o que tem sido um entrave ao desenvolvimento desta tecnologia e à sua aplicação em comunidades com elevado número de habitantes (Guan et al., 2009; Wu et al., 2015; Valipour et al., 2009).

Neste contexto, é essencial uma selecção adequada do material de enchimento e das plantas macrófitas a utilizar, de modo a optimizar a remoção de poluentes e o desempenho das ZHC (Guan et al., 2009; Valipour et al., 2009). Estes factores, assim como o correcto dimensionamento dos leitos e a carga hidráulica aplicada ao leito são determinantes na eficácia da ZHC e na sua viabilidade económica (Kadlec e Wallace, 2009; Vohla et al., 2005).

2.2.2. Caracterização dos leitos e tipos de escoamento

As ZHC para tratamento de efluentes apresentam duas tipologias base quanto ao tipo de escoamento das águas residuais, que se podem classificar como superficial ou sub-superficial (Kadlec e Wallace, 2009; Wu et al., 2015) (figura 2.5 e figura 2.7).

No escoamento superficial (figura 2.7), a água encontra-se acima do nível do solo, ou de outro material de enchimento, em contacto directo com a atmosfera. O percurso da água faz-se com pouco contacto com as zonas mais profundas do leito, exigindo-se maiores tempos de retenção para o grau de depuração pretendido. Deste modo, os leitos construídos com escoamento superficial são normalmente longos e estreitos, por forma a evitar-se a passagem do efluente pelo leito sem ser depurado no grau desejado (Crites, 1994; Kadlec e Wallace, 2009).

Figura 2.7 – Esquema de uma ZHC para tratamento de águas residuais, com escoamento superficial (adaptado de Kadlec e Wallace, 2009).

No escoamento sub-superficial, as águas residuais circulam num nível abaixo àquele dos materiais de enchimento. Entram no leito pela parte superior e saem pela parte inferior, na extremidade oposta (figura 2.5). Isto promove um maior contacto com os sólidos de enchimento, com as plantas e com os microrganismos instalados. Aumenta-se assim a eficácia

do sistema e diminuem-se as áreas de ocupação necessárias, relativamente aos sistemas com escoamento superficial. Com um sistema de escoamento sub-superficial, em caso de necessidade, o tempo de retenção pode ser aumentado através da profundidade do leito ao invés de se aumentar área superficial da ZHC (Kadlec e Wallace, 2009).

O escoamento sub-superficial pode ser vertical ou horizontal. No escoamento vertical (figura 2.8), a alimentação do leito faz-se em vários pontos à superfície. O efluente escorre verticalmente através do leito, sendo recolhido na base do mesmo através de um sistema de tubagens perfuradas. Estas tubagens podem ser colocadas apenas na extremidade de saída da ZHC, como normalmente se verifica com os sistemas de escoamento sub-superficial, ou podem ser colocadas em toda a base da ZHC até à saída (Kadlec e Wallace, 2009).

Figura 2.8 – Esquema de uma ZHC para tratamento de águas residuais, com escoamento sub-superficial vertical (adaptado de Kadlec e Wallace, 2009).

No escoamento horizontal a alimentação é feita numa extremidade do leito e depois escorre até à outra extremidade saindo pela parte inferior. Neste tipo de escoamento utilizam- se sistemas de drenagem para amortecer a entrada e a saída do efluente. Os sistemas de drenagem são normalmente constituídos por sólidos de maiores dimensões do que aqueles utilizados no resto do enchimento, e/ou por tubagens perfuradas (Kadlec e Wallace, 2009; Oliveira, 1995; Pozo-Morales et al., 2013).

O escoamento sub-superficial é mais utilizado em ZHC para tratamento de efluentes (Galvão, 2009), pois para além de exigir menor área de ocupação de solo do que os sistemas com escoamento superficial, oferece melhores condições sanitárias. As águas residuais não

mosquitos e de outros insectos associados às águas poluídas e paradas. Isto poderá ser feito, por exemplo, criando condições para a instalação e desenvolvimento de pequenos vertebrados que se alimentem de insectos, como aves, peixes e anfíbios (Crites, 1994; Kadlec e Wallace, 2009; Oliveira, 1995).

O corte regular da vegetação de forma a mantê-la saudável e a impedir que partes velhas e mortas caiam na água e aí apodreçam, também é uma medida que minimiza o desenvolvimento de mosquitos, para além de manter uma melhor capacidade hidráulica do leito (Brix, 1997; Crites, 1994; Kadlec e Wallace, 2009; Wu et al., 2015). Outro problema poderá ser o mau cheiro, que é característico das ETAR mal concebidas e/ou com problemas de funcionamento e de manutenção.

As configurações de escoamentos descritas anteriormente podem ser combinadas na mesma ZHC, originando leitos mistos ou combinados, também designados por sistemas híbridos (Wu et al., 2015). Esta combinação destina-se a aumentar a eficácia na remoção de poluentes, particularmente no que diz respeito ao azoto.

Os principais mecanismos de remoção de azoto nas ZHC são a nitrificação à qual se segue a desnitrificação. O processo de nitrificação necessita de oxigénio e os sistemas com escoamento superficial ou com escoamento sub-superficial vertical promovem uma maior oxigenação das águas e favorecem a remoção de azoto. Uma outra solução, mas mais dispendiosa, é a utilização de sistemas com arejamento forçado (Maltais- Landry et al., 2009).

Na fase de desnitrificação não é necessária a presença de oxigénio e normalmente utilizam-se unidades com escoamento sub-superficial horizontal.

2.2.3. Plantas utilizadas em ZHC para tratamento de efluentes

As plantas macrófitas são um componente determinante na eficácia e sustentabilidade das ZHC para tratamento de águas residuais (Wu et al., 2015). Estas plantas têm diversas funções no processo de tratamento das águas e intervêm directa e indirectamente na remoção de poluentes e promovendo sinergias entre os diversos processos físicos, químicos e biológicos responsáveis pelo tratamento das águas (Brix, 1994, 1997; Kadlec e Wallace, 2009). As principais funções das macrófitas nas ZHC para tratamento de efluentes encontram-se indicadas na tabela 2.2.

Tabela 2.2 - Principais funções das macrófitas nas ZHC para tratamento de efluentes (adaptado de Brix, 1994, 1997; Leto et al., 2013).

Componentes das plantas

Funções no processo de tratamento nas ZHC

Tecidos das partes aéreas

 Atenuação da luz; proporciona sombra e diminui o crescimento de fitoplancton

 Influencia no microclima; proporciona isolamento térmico durante o inverno

 Redução da velocidade do vento; evita a ressuspensão de sólidos já sedimentados

 Melhoria do aspecto estético  Acumulação de nutrientes Tecidos das partes

submersas

 Filtração de sólidos/detritos de maiores dimensões

 Redução da velocidade de escoamento; facilita a sedimentação e evita a ressuspensão de sólidos já sedimentados

 Aumento da área superficial para fixação de microrganismos e desenvolvimento de biofilmes

 Libertação de oxigénio fotossintético e consequente promoção de degradação aeróbia

 Absorção de nutrientes Raízes e rizomas no

sedimento/substrato

 Estabilização da superfície dos sedimentos, diminuindo a erosão

 Libertação de oxigénio; promove a degradação da matéria orgânica e a nitrificação

 Libertação de antibióticos (no caso de algumas macrófitas); efeito biocida em organismos patogénicos

 Absorção de nutrientes

As macrófitas seleccionadas para uma determinada ZHC devem ter em consideração diversos aspectos que, no seu conjunto, contribuem para a eficácia do tratamento das águas residuais e para a valorização estética e ambiental da ZHC. Esses aspectos devem ter em conta o seguinte (Kadlec e Wallace, 2009; Leto et al., 2013; Wu et al., 2015):

 Resistência das plantas às condições meteorológicas do local de implantação da ZHC e às características do efluente a tratar, nomeadamente ao seu pH. A utilização de plantas endémicas ou disponíveis no local são uma garantia da sua resistência às condições meteorológicas;

 Adaptação e capacidade de desenvolvimento das plantas no material de enchimento utilizado. Sempre que possível devem utilizar-se materiais disponíveis perto do local da

ZHC, pois fica mais económico, e plantas também existentes perto do local, o que aumenta as garantias de adaptação e resistência das plantas;

 Tipo de escoamento em que opera o leito. Num leito com escoamento sub-superficial, o nível de líquido encontra-se abaixo do nível dos sólidos do leito, o que implica a selecção de plantas emergentes e exclui a possibilidade de se utilizarem macrófitas flutuantes;

 Valorização estética e ambiental da ZHC. Este é um aspecto intrinsecamente ligado à localização da ZHC e também deve ser considerado na selecção de macrófitas a utilizar.

Para além dos aspectos enumerados anteriormente, o próprio metabolismo das plantas no que respeita à capacidade de remoção e fixação de nutrientes é um parâmetro importante no projecto e implementação de leitos construídos, já que aquela capacidade varia com a espécie de macrófita e pode ser determinante quanto à quantidade de efluentes que será possível depurar na área disponível para implantação da ZHC.

As macrófitas com maior capacidade de remoção de fósforo e de azoto são o caniço

(Phragmite sp.), a tabúa (Thypha sp.) e o jacinto de água (Eichhornia crassipes). Em

Portugal, a maior parte das ETAR de macrófitas situa-se na zona centro do país e as plantas mais utilizadas são, à semelhança do que se verifica noutros países, os caniços, as tabúas, os juncos e os lírio dos pântanos (Ísis pseudocorus) (Silvestre et al., 2003; Wu et al., 2015; Verhoeven e Meuleman, 1999).

Os caniços, para além da sua elevada capacidade de remoção de poluentes, são plantas com grande resistência e adaptação a ambientes agressivos (Colmer, 2003; Gries et al., 1990; Huang et al., 2010). Resistência essa que não é alheia ao vigor do sistema radicular que se desenvolve. Este sistema é constituído por raízes e rizomas que se desenvolvem até mais de um metro de profundidade, e em plantas plenamente desenvolvidas a massa total do sistema radicular pode corresponder a mais de 35% da totalidade da biomassa (base seca) (Kadlec e Wallace, 2009; Oliveira, 1995; Zai et al., 2013).

O desenvolvimento de grande biomassa de raízes é uma vantagem em termos de resistência e capacidade depurativa, mas pode contribuir para a colmatação dos leitos, que é um dos principais problemas apontados para a ineficácia das estações de tratamento com

macrófitas (Knowles et al., 2011; Silvestre et al., 2003). Para além disso, aumenta a pressão exercida na base dos leitos podendo causar rupturas na tela impermeabilizante e fugas de águas residuais não tratadas, colocando em risco as águas subterrâneas. De modo a evitarem- se estes problemas, deve ter-se especial atenção à profundidade de leitos plantados com caniços.

A eficácia na remoção de poluentes é sempre a prioridade. No entanto, esta pode aliar-se à valorização estética e ambiental da ZHC. As unidades familiares, ou de pequena dimensão, destinadas a servir um pequeno grupo de pessoas, localizam-se normalmente bastante próximo das zonas habitacionais, em certos casos nos próprios jardins das habitações (Kadlec e Wallace, 2009). Nestas circunstâncias o aspecto estético é importante e pode melhorar-se utilizando combinações de plantas, umas mais eficazes na depuração das águas e outras conferindo maior beleza à ZHC (Huang et al., 2010). Estas últimas deverão localiza-se preferencialmente nas orlas das ZHC, que são zonas de maior acesso visual.

Para além dos lírios dos pântanos e das tabúas, que são plantas silvestres com valor ornamental e já muito utilizadas em ZHC, outras existem que também se adaptam bem a terrenos alagados e que podem tornar um ZHC mais bonita. Algumas destas plantas são bastante comuns nos nossos jardins. É o caso dos jarros (Zantedeschia aethiopica), dos chapéus-de-chuva (Cyperus alternifolius L.) e das ciganas (Canna sp.). Na figura 2.9 encontram-se algumas plantas ornamentais já testadas em ZHC para tratamento de efluentes.

Ao valor estético e ornamental pode aliar-se ainda o interesse comercial, mediante, por exemplo o corte e venda de plantas e flores, o que representa uma mais valia na instalação de ZHC para o tratamento de efluentes (Calheiros, 2007; Zurita et al., 2009).

Zurita et al. (2009) avaliaram a capacidade de remoção de poluentes e de produção comercial de flores em ZHC para tratamento de efluentes à escala piloto, com plantas ornamentais (Zantedeschia aethiopica, Strelitzia reginae, Anthurium andraeanum e

Agapanthus africanus). Embora todas as plantas testadas tenham conduzido a eficácias de

remoção de poluentes muito semelhantes e apresentado bom desenvolvimento, a

Zantedeschia aethiopica foi a que melhor se adaptou a ambientes alagados e que se

desenvolveu mais vigorosamente e produziu mais flores.

A utilização de várias espécies de plantas na mesma ZHC não deve ser apenas equacionada como valorização ornamental mas também como forma de criar condições diferenciadas no interior do leito, tanto em termos espaciais como temporais, decorrentes das

diferentes características das macrófitas e dos respectivos ciclos vegetativos. Esta diferenciação poderá permitir a instalação e desenvolvimento de uma maior diversidade de microrganismos e aumentar a eficácia da remoção de poluentes (Leto et al., 2013; Zhang et al., 2010).

Ciganas Chapéus-de-chuva Jarros

Agapantes Antúrios Estrelícias

Figura 2.9 - Plantas ornamentais testadas em ZHC para tratamento de efluentes.

Quanto maior a diversidade microbiana, mais eficaz poderá ser a zona húmida na depuração das águas, tanto no que diz respeito ao grau de remoção de poluentes, como no tipo de poluentes possíveis de serem removidos e também quanto às alterações das condições de operação, tais como temperatura, pH e oxigenação do leito (condições de oxidação e redução). Existem microrganismos que actuam em diferentes fases da degradação e remoção de um mesmo poluente, e que se desenvolvem em ambientes muito diferentes; a criação destes vários ambientes no leito é fundamental para a eficácia do tratamento de efluentes utilizando leitos de macrófitas (Huang et al., 2010; Zhang et al., 2010).

No entanto, e embora diversos estudos mostrem que a utilização de várias espécies contribui para o aumento de desempenho das ZHC, não existem estudos suficientes, nem consenso entre os investigadores quando ao número óptimo de espécies de macrófitas em policultura em ZHC para tratamento de efluentes (Leto et al., 2013).

Em termos ambientais, a instalação de ZHC, especialmente aquelas de maiores dimensões e mais afastadas das zonas habitacionais, pode contribuir para a recuperação de ecossistemas e habitates de zonas húmidas desaparecidos ou ameaçados (Kadlec e Wallace, 2009).

2.2.4. Remoção de poluentes nas ZHC

Os componentes das ZHC intervenientes na remoção de poluentes são o meio de enchimento do leito/matriz de suporte, a comunidade microbiana que se desenvolve nessa matriz e ainda as plantas, no caso de ser um leito com vegetação.

O tratamento das águas residuais utilizando leitos de macrófitas ocorre através de diversos mecanismos e processos físicos, químicos e biológicos, cuja eficácia depende de diversos factores, entre eles as boas condições hidráulicas dos leitos e a composição química do material de enchimento (Wu et al., 2015; Vohla et al., 2005). Na tabela 2.3 encontram-se indicados os principais mecanismos de remoção de poluentes nas ZHC.

As boas condições hidráulicas do leito permitem um bom contacto, e por tempo adequado, entre as águas residuais, os sólidos da matriz e as plantas. É no biofilme que se forma na superfície dos caules submersos e nas raízes das plantas que se encontra a maior parte dos microrganismos que alteram os poluentes das águas, pelo que é fundamental um bom escoamento e um bom contacto entre as águas residuais e a matriz sólida.

A colmatação, ou obstrução do leito, devido ao excesso de sólidos acumulados e a criação de caminhos preferenciais e de zonas mortas, são factores que diminuem a condutividade hidráulica e o desempenho do leito. Isto pode ser causado pela elevada carga de sólidos do efluente, assim como devido à morte de raízes das macrófitas ou devido ao desgaste e dissolução dos sólidos do enchimento (Knowles et al., 2011; Pozo-Morales et al., 2013; Silvestre, et al., 2003).

A formação de caminhos preferenciais é um problema de mau funcionamento relativamente fácil de detectar, pois nas zonas mortas, onde não passa efluente, as plantas definham e perto dos caminhos preferenciais as plantas desenvolvem-se mais.

Tabela 2.3 - Principais mecanismos de remoção de poluentes nas ZHC (adaptado de Brix, 1994, 1997; Vymazal et al., 1998).

Poluentes Mecanismos de remoção

Físicos Químicos Biológicos

Sólidos em suspensão Sedimentação, floculação e filtração

Decomposição microbiológica Matéria orgânica

(CBO5 e CQO)

Sedimentação juntamente com matéria particulada

Decomposição microbiológica Adsorção de componentes solúveis

Azoto orgânico Sedimentação juntamente com matéria particulada

Amonificação (mediada por bactérias) Azoto amoniacal Sedimentação juntamente com

matéria particulada

Volatilização (N2 e NH3)

Assimilação pelas plantas

Nitrificação (mediada por bactérias) Adsorção nos sólidos e biofilme; permuta iónica

Azoto - nitratos Sedimentação juntamente com matéria particulada

Assimilação

microbiológica e pelas plantas

Desnitrificação (mediada por bactérias) Fósforo (orgânico e