CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL CURSO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
Silvana dos Reis Aguiar
PROJETO EXECUTIVO DE UM SISTEMA DE WETLAND CONSTRUÍDO PARA TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
Florianópolis 2020
Silvana dos Reis Aguiar
PROJETO EXECUTIVO DE UM SISTEMA DE WETLAND CONSTRUÍDO PARA TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Bacharel/Licenciado em Engenheira Sanitarista e Ambiental
Orientador: Prof. Dr. Pablo Heleno Sezerino
Florianópolis 2020
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Reis Aguiar, Silvana dos
Projeto executivo de um sistema de wetland construído para tratamento de esgoto doméstico / Silvana dos Reis Aguiar ; orientador, Pablo Heleno Sezerino, 2020. 65 p.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)
-Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental,
Florianópolis, 2020. Inclui referências.
1. Engenharia Sanitária e Ambiental. 2. Tratamento descentralizado de esgoto. 3. Wetlands construídos. 4. Wetland em modelo francês. 5. Projeto de dimensionamento. I. Heleno Sezerino, Pablo . II. Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental. III. Título.
Silvana dos Reis Aguiar
PROJETO EXECUTIVO DE UM SISTEMA DE WETLAND CONSTRUÍDO PARA TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
Trabalho submetido à banca examinadora como parte dos requisitos para Conclusão do Curso em Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental – TCC II.
Florianópolis, 14 de Agosto de 2020.
________________________ Prof.ª Maria Elisa Magri, Dra.
Coordenadora do Curso Banca Examinadora:
________________________ Prof. Pablo Heleno Sezerino, Dr.
Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof.ª Maria Elisa Magri, Dra. Avaliadora
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof.ª Maria Eliza Nagel Hassemer, Dra. Avaliadora
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que fizeram parte deste ciclo que se finaliza. Em especial, aos meus pais Neíta e Silvano, pelo incentivo de tornar o meu sonho de ingressar em uma universidade federal uma realidade. Além de todo o amor, apoio e amparo durante os anos de graduação, essa conquista só existe porque vocês tornaram possível.
As minhas irmãs Maíra e Luíza, que são um exemplo para mim e sempre acreditaram na minha capacidade. Obrigada por todo amor, amizade, apoio, conselhos e por proporcionarem ainda mais luz, leveza, força e alegria com a vinda dos meus sobrinhos ao mundo.
Aos meus avós (in memorian) pelos grandes ensinamentos da vida, por depositarem o seu amor mais puro e passarem valores como respeito, honestidade, empatia e família. Esta base me fortalece e me encoraja a viver os grandes desafios da vida.
As minhas melhores amigas por apoiarem todas as minhas decisões e por tornarem todos esses anos da minha vida mais leve e feliz, sou grata a cada uma por suas palavras de conforto, trocas de energias, aprendizados e por me inspirarem de todas as maneiras possíveis.
Aos meus colegas, parceiros e grandes amigos que ganhei neste caminho longo da graduação. Esta trajetória só foi muito especial e maravilhosa pois vocês estiveram presentes nela, tornaram tudo mais fácil e agradável. Sou eternamente grata aos meus amigos Fabiola e Junior por me incentivarem a fazer intercâmbio e por viverem esta experiência comigo, com certeza foi a melhor escolha da minha vida.
Aos colegas de trabalho da Rotária pelos aprendizados adquiridos durante esses meses de estágio. Em especial a Heike, por compartilhar ideias e projetos que auxiliaram na escolha do tema e por disponibilizar informações essenciais para o desenvolvimento deste trabalho.
Agradeço ao professor Pablo Heleno Sezerino pela orientação e contribuição dedicadas a este trabalho.
A persistência é o menor caminho do êxito.
RESUMO
A proposta de tratamento descentralizado de esgoto doméstico em locais desprovidos de rede e tratamento de esgoto é uma alternativa para a universalização do saneamento no Brasil. A ecotecnologia dos wetlands construídos vem mostrando aplicabilidade de uso para este cenário. Neste contexto, o presente trabalho apresenta o projeto executivo de um sistema de wetlands construídos composto por uma primeira etapa de wetland em modelo francês adaptado ao clima subtropical, seguido por uma etapa de pós-tratamento com um wetland horizontal e um vertical. O projeto teve como finalidade o tratamento do esgoto doméstico gerado em uma empresa de engenharia e em duas residências adjacentes gerando um equivalente populacional (EP) de 30 pessoas e, a partir da implantação do sistema, tornar-se uma unidade de pesquisa. As etapas executadas no trabalho apresentaram o dimensionamento dos módulos, o reservatório para o sistema de bombeamento, os poços de passagem entre os filtros, bem como o detalhamento dos módulos destacando os aspectos construtivos e uma estimativa de custo e eficiência de tratamento. Com base em recomendações da literatura para dimensionamento, os módulos
wetlands apresentaram as seguintes dimensões: (i) wetland francês modificado com 24,5 m² de
área superficial; (ii) wetland horizontal com 13,75 m² de área superficial; (iii) wetland vertical com 6,25 m² de área superficial. O custo estimado para implantação do sistema para um EP de 30 pessoas foi de R$ 21.425,76, o que representou um valor de R$ 714,19/hab e R$ 396,77/m², englobando todos os gastos de mão de obra, materiais e equipamentos necessários para o funcionamento dos wetlands, exceto o gasto relacionado ao funcionamento do sistema de bombeamento na alimentação dos filtros. As eficiências previstas foram embasadas no que a literatura recomenda para formatos semelhantes aos apresentados no projeto, com previsão de desempenho global de 85% para DQO, 90% para DBO e 90% para SS, produzindo um efluente tratado em acordo com o que determinam as normativas para o lançamento no ambiente.
Palavras-chave: Tratamento descentralizado de esgoto. Wetlands construídos. Wetland em modelo francês. Projeto de dimensionamento. Custo de implantação.
ABSTRACT
The proposal for decentralized treatment of domestic wastewater in places without network and wastewater treatment is an alternative for universalize the sanitation in Brazil.
The ecotechnology constructed wetlands has been showing the use’s applicability for this scenario. In this context, the present work features the exectuive project of a constructed wetlands system composed of a first wetland stage in a french model adapted to the subtropical climate, followed by a aftertreatment stage with a horizontal and a vertical wetland. The project has aimed the treatment of domestic wastewater generated in na engineering company and in two adjacente residences generating a population equivalent (PE) of 30 people, and from the implantation of the system become a research unit. The steps performed in the work presented the dimensioning of the modules, the tank for the pumping system, the wells between the filters, as well as the details of the modules highlighting the construction aspects and a cost and treatment efficiency’s estimative. Based on the literature recommendations for sizing, the welands modules presented the following dimensions: (i) modifed french wetland with 24,5 m² of surface área; (ii) horizontal wetland with 13,75 m² of surface área; (iii) vertical wetland with 6,25 m² of surface área. The estimated cost to implemente the system for na PE of 30 people was R $ 21,425.7, wich represented a value of R $ 714.19/inhab and R $ 396.77/m², including all labor expenses of work, materials and necessary equipment for the functioning of the wetlands, except the expense related to the operation of the pumping system in the suppy of the filters. The foreseen efficiencies were based on the literature recommends for formats similar to those presented in the project, with an overall performance forecast of 85% for COD, 90% BOD and 90% for SS, producing na efluente treated according with the regulations for lauch into the environment.
Keywords: Descentralized wastewater treatment. Constructed wetlands. French model wetland. Sizing project. Implantation cost.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Perfil longitudinal do wetland construído de escoamento vertical ... 19
Figura 2 - Perfil longitudinal do wetland construído de escoamento horizontal subsuperficial... 20
Figura 3 - Planta básica de um Sistema Francês de WC. ... 21
Figura 4 – Wetland de Tratamento Tipo Fito-Filtro... 24
Figura 5 – Localização empresa Rotária do Brasil... 32
Figura 6 – Localização sistema de wetlands. ... 32
Figura 7 - Sistema de wetlands... 44
Figura 8 – Modelo francês executado pela empresa Rotária del Peru ... 46
Figura 9 - Estrutura sistema de wetlands... 47
Figura 10 - Manta PEAD geomembrana ... 48
Figura 11 – Viveiro da ETE Madri de macrófitas em wetlands para tratamento de lodo ... 49
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Recomendações de granulometria e profundidade de material filtrante .. 30
Tabela 2 - Contribuição diária de despejos por tipo de prédio e de ocupantes. ... 33
Tabela 3 - Parâmetros de projeto ... 38
Tabela 4 - Tabela da estimativa de custos da preparação do terreno e movimento de terra ... 50
Tabela 5 – Tabela da estimativa de custos dos elementos construtivos ... 51
Tabela 6 – Tabela da estimativa de custos dos tubos, conexões e materiais com o valor total do orçamento ... 52
Tabela 7 - Eficiências esperadas para a 1ª etapa ... 55
Tabela 8 - Eficiências esperadas para o wetland horizontal ... 55
Tabela 9 - Eficiências esperadas para o wetland vertical ... 56
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CA Carga Orgânica Aplicada
DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio DN Diâmetro Nominal
DQO Demanda Química de Oxigênio EP Equivalente Populacional
ETE Estação de Tratamento de Esgoto GWT Global Wetland Tecnology
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística N Nitrogênio
NTK Nitrogênio Kjeldahl
PEAD Polietileno de Alta Densidade PVC Policroleto de Vinila
SBR Sequencing Batch Reactor SF Sistema Francês
SINAPI Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices SNIS Sistema Nacional de Informação sobre Saneamento SST Sólidos Suspensos Totais
TAH Taxa de Aplicação Hidráulica TAO Taxa de Aplicação Orgânica
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina WC Wetland Construído
WCFH Wetland Construído de Fluxo Horizontal WCFV Wetland Construído de Fluxo Vertical WTFF Wetland Tipo Fito-Filtro
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 OBJETIVOS ... 16 2.1 Objetivo geral ... 16 2.2 Objetivos específicos ... 16 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17 3.1 Tratamento descentralizado ... 17 3.2 Wetlands construídos ... 18
3.3 Wetlands construídos de fluxo vertical ... 19
3.4 Wetlands construídos de fluxo horizontal ... 20
3.5 Wetlands construídos em sistema francês... 20
3.5.1 Adaptação do Sistema Francês para clima tropical: Wetland tipo Fito Filtro (WTFF) ... 23
3.6 Elementos constituintes do sistema de wetlands ... 25
3.6.1 Meio Filtrante... 25 3.6.2 Macrófitas Aquáticas... 26 3.6.3 Microrganismo ... 26 3.7 Critérios de dimensionamento ... 27 3.8 Parâmetros construtivos ... 29 4 METODOLOGIA ... 31
4.1 Caracterização da área de estudo ... 31
4.2 Parâmetros de projeto ... 33
4.2.1 Equivalente populacional ... 33
4.2.2 Contribuição per capita de esgoto ... 33
4.2.3 Características do afluente... 34
4.2.4 Critérios para o dimensionamento ... 34
5.1 Cálculo da vazão afluente do esgoto bruto ... 36
5.2 Reservatório de armazenamento e vazão de aplicação ... 36
5.3 Dimensionamento dos módulos ... 37
5.3.1 Módulo 1 – Wetland tipo Fito-Filtro ... 37
5.3.2 Módulo 2 – Wetland de fluxo horizontal com brita ... 40
5.3.3 Módulo 3 – Wetland de fluxo vertical com areia ... 42
5.4 Caracterização do sistema... 44
5.4.1 Wetland tipo Fito-Filtro ... 45
5.4.2 Wetland de fluxo horizontal ... 46
5.4.3 Wetland de fluxo vertical ... 46
5.4.4 Aspectos construtivos ... 47 5.4.4.1 Estrutura ... 47 5.4.4.2 Impermeabilização ... 48 5.4.4.3 Macrófitas ... 49 5.5 Estimativa de custos ... 50 5.6 Eficiência esperada ... 54 5.7 Avaliação crítica ... 57 6 CONCLUSÃO ... 59 REFERÊNCIAS ... 60
APÊNDICE A – Vista superior, vista lateral 1 e detalhes ... 63
APÊNDICE B – Vista superior, vista lateral 2, corte e tabela de quantitativo ... 65
1 INTRODUÇÃO
O tratamento de esgotos é a atividade necessária no meio urbano e rural para a promoção da saúde da população e meio ambiente. No Brasil, 53,2% dos municípios são conectados à rede de esgoto, dos quais apenas 46,3% coletam e tratam os esgotos gerados (SNIS, 2018). O índice de atendimento com esses serviços é, portanto, baixo e apresenta uma situação mais agravante na zona rural, onde grande parte das localidades não é contemplada com esses serviços ou são ineficientes, quando existem.
A ausência de sistemas centralizados de esgoto sanitário em municípios menores está relacionada ao alto custo de implantação, operação e manutenção tanto da rede coletora quanto da estação de tratamento. A reduzida densidade populacional dos municípios de pequeno porte e as taxas referentes aos serviços, tornam-se insuficientes para cobrir os custos necessários para este modelo de tratamento. Visto isso, as alternativas de esgotamento sanitário descentralizados tornam-se a opção mais viável para atender as demandas de sistema individual ou para pequenas comunidades e vilas.
Existem inúmeras alternativas de tecnologias para o tratamento descentralizado de águas residuárias tipo esgotos sanitário e domésticos, inclusive em destaque como tanques sépticos e filtros anaeróbios. Porém, outras tecnologias vêm sendo intensamente pesquisadas, o que é o caso dos wetlands construídos.
Os sistemas de wetlands construídos normalmente são utilizados como tratamento de uma grande variedade de efluentes, destacando-se esgotos domésticos, efluentes industriais e agrícolas (SEZERINO et al., 2018). Este sistema de tratamento dispõe de processos naturais que envolvem a interação do plantio de macrófitas aquáticas com o solo e com a população microbiana presente no meio filtrante.
Na literatura estão presentes algumas associações de wetlands, e dentre elas está o
wetland vertical do sistema francês. Este modelo destaca-se por ser um sistema econômico e
eficiente, pois é capaz de tratar o efluente bruto não advindo de nenhum tratamento preliminar, e ainda não requer descarte de lodo ao longo de muitos anos de operação. O arranjo tradicional abrange dois estágios em série (três unidades em paralelo no primeiro estágio e duas unidades no segundo), os quais são alimentados intermitentemente a fim de garantir uma secagem parcial do lodo de esgoto bruto sob a superfície do filtro. Porém, em regiões de clima quente, espera-se que o processo de espera-secagem possa acontecer apenas no primeiro estágio, não exigindo o segundo estágio, o que pode trazer economias consideráveis (HOFFMANN et al., 2013).
Dentro deste contexto, o trabalho tem como foco o desenvolvimento do projeto executivo de um sistema de tratamento de esgoto doméstico empregando um arranjo tecnológico composto por módulos de primeira etapa de wetland construído do sistema francês como tratamento primário, seguido de uma unidade de wetland horizontal e uma de wetland vertical com vistas a produção de efluente tratado com reduzido potencial poluidor.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
Desenvolver um projeto executivo de uma unidade de tratamento de esgoto empregando a ecotecnologia dos wetlands construídos baseado no sistema francês como tratamento primário, seguido de um wetland horizontal e um wetland vertical para o pós-tratamento do efluente.
2.2 Objetivos específicos
- Desenvolver o memorial de cálculo e estimar a eficiência esperada dos módulos de
wetlands construídos empregados no tratamento de esgoto doméstico;
- Descrever as etapas construtivas relacionadas à implantação dos módulos de
wetlands construídos empregados no tratamento de esgoto doméstico;
- Confeccionar o orçamento para implantação dos módulos de wetlands construídos empregados no tratamento de esgoto doméstico;
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Tratamento descentralizado
Para a infraestrutura de saneamento básico, os sistemas de tratamento de esgoto descentralizados podem ser enquadrados como sistemas autônomos utilizados para tratamento de pequenas vazões, tais como, residências, condomínios, construções isoladas e pequenas comunidades, nas quais, os resíduos podem ser processados no local ou tratados em outras unidades. Assim sendo, o esgoto é coletado, tratado e descartado (ou reutilizado) próximo ao local de geração (LARSEN et al., 2013).
Dos Santos et al. (2015) constatam que o paradigma técnico do saneamento básico foi tradicionalmente voltado para sistemas centralizados por intermédio de uma extensa rede de coleta, as águas residuais são encaminhadas para estações de tratamento de efluentes com grande capacidade, a fim de permitir ganhos operacionais à medida que se agregam mais usuários à rede. Entretanto, tais técnicas necessitam de altos investimentos tanto em sua construção, quanto na sua operação e manutenção (MASSOUD, 2008), o que torna relevante o debate sobre a utilização de soluções alternativas para regiões de baixa densidade em populacional.
Ainda segundo Dos Santos et al. (2015), as comunidades rurais e periurbanas, as quais apresentam, em geral, baixa densidade populacional, comprometem a diluição dos custos para a implantação de sistemas complexos de coleta, afastamento e tratamento de esgoto, reduzindo a viabilidade técnica e operacional de tais soluções. Dessa forma, a adoção de sistemas de tratamento de esgoto descentralizados em países em desenvolvimento não é apenas uma solução de longo prazo para pequenas comunidades, mas a mais confiável e a de custo mais efetivo (MASSOUD, 2008).
3.2 Wetlands construídos
Segundo Vymazal (2010) os wetlands construídos (WC) são sistemas de engenharia que foram projetados e construídos para utilizar os processos naturais envolvendo vegetação de macrófitas aquáticas, solo, e material microbiano associado, para auxiliar no tratamento de águas residuárias. Von Sperling e De Paoli (2013) citam que a remoção de poluentes em
wetlands construídos ocorre por meio de uma intensa diversidade de interações entre os
sedimentos, o meio suporte, microrganismos, plantas, atmosfera e o efluente que se move dentro do sistema. Em comparação com outros sistemas de tratamento de efluentes domésticos, as vantagens do WC são o baixo custo de instalação, operação e manutenção, a simples operação, mecanização reduzida e uma alta eficiência na remoção de cargas orgânicas (DBO e DQO), sólidos sedimentáveis e nutrientes solúveis. Além disso, é uma técnica robusta, pouco vulnerável a variações de vazão e de concentrações do afluente (DOTRO et al., 2017) e fornece benefícios indiretos, como área verde, habitats para a vida selvagem e áreas educacionais.
Os sistemas de wetlands construídos existem em diferentes modalidades para o tratamento de águas residuárias. De acordo com a literatura, os WC podem ser classificados em dois grandes grupos, chamados sistemas de lâmina livre ou de escoamento superficial e sistemas de escoamento subsuperficial.
Os sistemas subsuperficiais são constituídos por um leito filtrante, onde são cultivadas espécies vegetais, e ao percolar pelo maciço filtrante, há a atenuação de diversos contaminantes presentes no esgoto. Os WC subsuperficiais são classificados em fluxo horizontal (WCFH) ou vertical (WCFV). A diferença do WCFV e o WCFH, além da direção do fluxo, está no lançamento do afluente, sendo no primeiro o fluxo intermitente, isto é, o afluente é lançado em bateladas na superfície do meio filtrante, o que garante o transporte de ar para dentro do leito (MATOS e MATOS, 2017). Enquanto no WCFH, a alimentação é contínua o que gera reações anóxicas e anaeróbias.
Os WCFV possuem uma maior eficiência no tratamento e requerem uma menor área em comparação aos leitos de fluxo horizontal, necessitando cerca da metade de espaço. Contudo, a facilidade de lançamento do WCFH possibilita uma operação simplificada e é uma técnica mais comum em países em desenvolvimento (HOFFMANN et al., 2011).
O presente estudo aborda as modalidades de escoamento subsuperficial com fluxo vertical e horizontal de WC.
3.3 Wetlands construídos de fluxo vertical
Nas unidades de wetlands de fluxo vertical o esgoto é introduzido intermitentemente sobre a superfície do filtro e percolando o maciço do filtro de forma ascendente ou descendente, sendo o descendente o mais o comum (Figura 1). O seu interior é preenchido por material filtrante (do tipo areia ou brita) e as plantas são colocadas diretamente sobre ele. O efluente filtrado é coletado no fundo por meio de um conjunto de tubulações. Em wetlands de fluxo vertical a aplicação de esgoto de forma intermitente proporciona um maior arraste de oxigênio para dentro do sistema. Dessa forma, o sistema em condições aeróbias beneficia o processo de nitrificação, além da oxidação da matéria orgânica (SEZERINO et al., 2018). A aeração ainda pode ser melhorada quando há a instalação de tubos de aeração no sistema.
Figura 1 - Perfil longitudinal do wetland construído de escoamento vertical
Fonte: Adaptado de Von Sperling e Sezerino (2018)
Para Cooper et al. (1996), a remoção de nitrogênio é bastante dependente do suprimento de oxigênio do sistema. No entanto, a remoção de nitrogênio nos sistemas de
wetlands de fluxo vertical é limitada, devido à baixa ocorrência de desnitrificação no sistema.
O maior problema em sistemas como esse ocorre devido a obstrução completa do filtro, consequentemente isto está relacionado ao balanço correto da carga orgânica aplicada e da quantidade de oxigênio entre o meio filtrante. Segundo Molle et al. (2006), os processos-chave para assegurar um tempo de operação longo ao filtro são otimizar a aeração no meio para assegurar condições aeróbias, e o controle do crescimento da biomassa anexa ao meio para mineralizar os depósitos orgânicos provenientes da retenção de SS no topo dos filtros.
3.4 Wetlands construídos de fluxo horizontal
Nos wetlands construídos de escoamento subsuperficial de fluxo horizontal, (Figura 2), as águas residuárias são inseridas na zona de entrada do leito, geralmente composta por brita, e, através do meio filtrante, são drenadas pela gravidade de maneira horizontal até a zona de saída (SEZERINO et al., 2018). Segundo Dornelas (2008) muitas unidades são construídas com um fundo inclinado de 0,5 a 1%, com o propósito de prover um gradiente hidráulico suficiente para assegurar o fluxo subsuperficial no leito.
Figura 2 - Perfil longitudinal do wetland construído de escoamento horizontal subsuperficial
Fonte: Adaptado de Von Sperling e Sezerino (2018)
Neste sistema pode haver a presença de um controlador de nível com a utilização de uma tubulação elevada, a qual permite a saturação do meio filtrante. Assim, resulta na criação de um ambiente anaeróbio e anóxico, favorecendo o processo de desnitrificação (Sezerino et al., 2018).
3.5 Wetlands construídos em sistema francês
O sistema francês é uma variante dos wetlands construídos de fluxo vertical, com fases alternadas de alimentação e repouso. A característica diferencial deste sistema é que ele pode receber esgoto bruto diretamente na primeira etapa e consiste basicamente de dois estágios.
O primeiro estágio é composto por 3 filtros em paralelo, com fases alternadas de alimentação e repouso (geralmente 3,5 dias de alimentação e 7 de repouso), e que recebem o esgoto bruto como afluente. A grande vantagem dessa rotatividade é manter a condição aeróbia, garantir o controle do crescimento da biomassa e evitar a colmatação a partir da mineralização dos depósitos orgânicos retidos na camada superficial (MOLLE, 2014).
O segundo estágio contém duas células filtrantes em paralelo que recebem o efluente da primeira etapa, servindo de polimento da matéria orgânica ainda não removida e, intensifica o processo de nitrificação (MOLLE et al., 2005). A alimentação neste estágio acontece usualmente por 3,5 dias e repousa pelo mesmo período de tempo. Um esquema de como funciona o SF pode ser visto na Figura 3.
Figura 3 - Planta básica de um Sistema Francês de WC.
Segundo Von Sperling e Sezerino (2018) o primeiro estágio objetiva principalmente a remoção de matéria orgânica e sólidos em suspensão, como também a nitrificação, com a remoção parcial do nitrogênio amoniacal. E o segundo estágio é caracterizado por proporcionar o polimento do efluente, além da complementação na remoção de matéria orgânica e sólidos em suspensão e, principalmente, remoção amoniacal por nitrificação, devido as condições aeróbias do meio. No entanto, o processo de desnitrificação nesse sistema de tratamento com escoamento vertical possui uma baixa eficiência, como já citado anteriormente. Isto ocorre, devido à falta de um ambiente saturado que possa promover uma zona anóxica para a desnitrificação.
De acordo com Dotro (2017) o sistema francês (SF) vem ganhando força para o tratamento de esgotos descentralizados ou de pequenas comunidades. Na França, o SF de
wetlands é o principal sistema aplicado para comunidades com capacidade inferior a 2000
equivalente populacional (MOLLE, 2014).
Molle (2003) afirmou que a sedimentação de material particulado, a filtração e a interceptação resultam em um depósito de partículas na superfície do filtro, sendo que tanto a filtração quanto a interceptação melhoram sua eficiência com o tempo, resultante da menor porosidade da camada depósito, em relação ao meio filtrante. O acúmulo de detritos que ocorre na zona das raízes das macrófitas forma uma camada orgânica, denominado biofilme, a qual torna-se um componente que pode favorecer o desempenho do tratamento, assim como pode limitar alguns processos. No SF é necessário 1 a 2 anos para desenvolver a camada que atinja um desempenho ótimo de tratamento.
A sedimentação do material particulado, a decomposição e a incorporação de sólidos ao biofilme ocorrem simultaneamente e são, portanto, responsáveis pela redução na concentração de sólidos suspensos totais (PHILIPPI & SEZERINO, 2004). No entanto, a medida que o afluente é percolado no meio filtrante, a condutividade hidráulica inerente ao material tende a reduzir.
As cargas hidráulicas e orgânicas, assim como o processo de operação (alimentação em batelada, intercalação entre os períodos de alimentação e descanso) devem ser controlados, a fim de facilitar a mineralização da matéria orgânica (MOLLE et al., 2005).
Caso não haja um monitoramento e controle desses processos, pode haver limitações na taxa de transferência de oxigênio e, também, a redução da taxa de mineralização da camada orgânica. A ocorrência de uma destas limitações, pode desencadear num impacto no processo e ampliar a taxa de colmatação do filtro. No entanto, sabendo a importância da colmatação para o funcionamento do filtro, é necessário manter um equilíbrio para que não atinja um nível em que afete a durabilidade e a desempenho do sistema. A camada de lodo depositada sobre o filtro cresce aproximadamente 2,5 cm/ano no carregamento nominal, segundo Molle (2014) e deve ser removida quando atinge 20 cm, o que é previsto para acontecer depois de 10 a 15 anos (DOTRO et al., 2017).
3.5.1 Adaptação do Sistema Francês para clima tropical: Wetland tipo Fito Filtro (WTFF)
Os primeiros SF operam desde os anos 1980 e a aplicação em escala começou a partir de 1999. As avaliações de Molle et al. (2005) mostraram um desempenho estável em todos os casos e eficiências médias de remoção de 90% da DQO, 95% dos SST e 85% de NTK no sistema de duas etapas. Segundo Hoffmann et al. (2013) os autores também fizeram uma classificação das eficiências específicas da primeira e segunda etapa. Estas experiências foram essenciais para a formação da base de estudos para wetlands de SF adaptados para condições climáticas do Brasil, que resultaram na pesquisa prévia no Brasil (PLATZER et al., 2007; HOFFMANN et al., 2011).
Sócios da empresa Rotária do Brasil Ltda em parceria com a Global Wetland Tecnology (GWT) introduziram no mercado o novo conceito para a primeira etapa do Sistema Francês em clima quente: Wetland tipo Fito Filtro (Figura 4). Este modelo provou, mesmo ainda com referências limitadas, a possibilidade de aumento de cargas aplicadas com o aumento da temperatura do ambiente.
Figura 4 – Wetland de Tratamento Tipo Fito-Filtro
Fonte: Site Rotária do Brasil (2020)
Em climas quentes ainda existem poucas experiências do SF, contudo, algumas aplicações do WTFF mostraram um potencial muito alto já na primeira etapa de tratamento, com 80 a 95% de remoção de DQO e nitrificação, em alguns casos, completa. Devido às condições climáticas serem mais amenas, no que se refere à temperatura, as experiências com o sistema de WTFF mostraram que o primeiro estágio dividido em apenas 2 áreas, ao invés de 3 partes do SF, era suficiente. Isto é, as condições locais a secagem dos sólidos ocorre mais rapidamente que no clima frio, sendo não necessária a alternância em 3 partes (HOFFMANN et al., 2013).
Uma vez que o tratamento careça do polimento do efluente para alguma variedade de reuso ou se em determinada região não alcançar a eficiência desejada, há a possibilidade de uso de diferentes tecnologias para pós-tratamento que substituem o 2º estágio clássico do sistema francês. Neste sistema serão testadas duas tecnologias de pós tratamento, um wetland de fluxo horizontal com brita e um wetland de fluxo vertical com areia. Em uma experiência realizada no Peru, foram analisados para o tratamento de esgoto bruto, uma primeira etapa com o WTFF e segunda etapa de wetland vertical com areia, e como resultado, a primeira etapa mostrou uma eficiência de 96% em remoção de DQO e DBO5 e, com a segunda etapa, obteve-se uma
remoção quase completa de DQO, DBO5 e turbidez (HOFFMANN et al., 2013). Contudo,
quando busca-se uma opção mais econômica e, muitas vezes não encontra-se areia disponível no local para este tipo de tratamento, surge a possibilidade de complementar o tratamento da primeira etapa com um wetland horizontal com brita em que se tem um sistema baseado totalmente na brita tratando esgoto bruto.
Além do tratamento de esgoto doméstico, esta adaptação do WC de SF para climas quentes pode ser utilizada para outros diversos efluentes com alto teor de sólidos.
3.6 Elementos constituintes do sistema de wetlands
Nos sistemas de tratamento de wetlands construídos existem vários fatores que influenciam no desempenho de remoção de poluentes e se destacam como principais elementos constituintes o material filtrante, as macrófitas e os microrganismos.
3.6.1 Meio Filtrante
O material filtrante é o elemento de sustentação das macrófitas, aderência do biofilme e o agente responsável pela filtragem do esgoto nos wetlands construídos. (SEZERINO et al., 2018). Cada material possui características distintas, como a porosidade e a permeabilidade (que afetam a condutividade hidráulica do sistema), que interferem positivamente no escoamento do efluente retendo-a por mais tempo e auxiliando o tratamento (PHILIPPI & SEZERINO, 2004).
Busca-se um material filtrante que possua um bom potencial reativo, capaz de promover adsorção de compostos inorgânicos presentes no efluente, de maneira tal, que permita a retenção dos sólidos sem que ocorra uma rápida colmatação (SEZERINO, 2006).
A escolha do meio suporte deve estar associada ao tipo de tratamento a ser empregado no sistema. Recomenda-se utilizar materiais economicamente viáveis e que sejam facilmente encontrados na região em que será implantado, buscando-se manter a simplicidade característica da tecnologia. Lembrando-se que as macrófitas aquáticas adaptam-se a uma grande variedade de sedimentos em diferentes granulometrias, como areias, britas e solos naturais (PHILIPPI & SEZERINO, 2004). Encontram-se recomendações na literatura da utilização de britas e areias para finalidades de tratamento secundário e terciário de águas residuárias.
3.6.2 Macrófitas Aquáticas
As macrófitas aquáticas são componentes essenciais para a operação e correto funcionamento dos wetlands construídos, visto que nas raízes destes vegetais cultivados nos leitos de tratamento, fixam-se bactérias que recebem oxigênio conduzido pela planta do caule até as raízes através de um sistema chamado de aerênquima, bem como uma ampla gama de outros organismos, incluindo fungos e protozoários que desempenham papel fundamental na ciclagem dos nutrientes e biomassa bacterianas (BRIX, 1993).
De acordo com Tanner (1996), para que as macrófitas sejam adequadas em wetlands construídos, elas devem apresentar os seguintes critérios citados por Stefanakis et al. (2014):
- Devem adaptar-se bem às condições ecológicas do ambiente e mostrar um crescimento e propagação de raízes acelerado;
- Precisam ser tolerantes a uma variedade de poluentes presentes em águas residuárias (e.g. matéria orgânica, nutrientes, patógenos) juntamente com uma alta capacidade de remoção, direta ou indiretamente;
- É preferível o uso de espécies facilmente encontradas no mercado ou em algum ambiente análogo, para que possam ser transplantadas ao filtro.
3.6.3 Microrganismo
Segundo Kadlec e Knight (1996), nos sistemas de wetlands construídas observa-se o desenvolvimento de uma comunidade bem heterogênea de microrganismos que engloba fungos, protozoários, algas, artrópodes e bactérias, sendo o último grupo o mais representativo atuante na decomposição da matéria carbonácea, nitrificação e desnitrificação. Estes microrganismos, encontrados nos filtros plantados, podem apresentar-se suspensos no próprio efluente e/ou aderidos ao meio suporte do leito filtrante e nas raízes das plantas, formando o biofilme microbiológico responsável pela filtração e consequente remoção de nutrientes dos efluentes (RODRIGUEZ, 2003).
A ação dos microrganismos na remoção de matéria orgânica ocorre pela necessidade de energia e fonte de carbono para seu crescimento de reprodução. Existem os microrganismos heterotróficos, que utilizam o carbono orgânico para seu metabolismo e os demais que utilizam do carbono inorgânico (CO2) são chamados autotróficos. De acordo com Bitton (2005) ambos
os processos podem ocorrer pela via anaeróbia ou aeróbia, sendo que na última o grupo mais significativo é o heterotrófico, que apresenta maior taxa de degradação de matéria orgânica na presença de oxigênio.
3.7 Critérios de dimensionamento
No momento presente ainda não existem normas técnicas brasileiras para o dimensionamento de wetlands construídos no tratamento de águas residuárias. No entanto, há alguns modelos na literatura que podem ser parâmetros para o dimensionamento de wetlands construídos no Brasil e em locais de clima tropical. Dentre os mais pertinentes, destacam-se o “Guide de dimensionnement de la filière tropicalisée” criado por Molle e Latune, em 2017, e o “Dimensionamento de Wetlands no Brasil” criado em 2018 por Von Sperling e Sezerino. Segundo essas literaturas, os principais fatores para o dimensionamento dos wetlands construídos são as cargas orgânicas e hidráulicas aplicadas nas áreas dos filtros.
Para wetlands construídos em sistema francês, são apresentados alguns parâmetros que se recomenda para o dimensionamento do primeiro estágio no Brasil e em locais de clima tropical, conforme segue (MOLLE et al., 2017; VON SPERLING et al., 2018):
- Carga orgânica aplicada com lançamentos máximos no leito de 350 gDQO/m².d e 150 gDBO/m².d;
- Sólidos suspensos totais com carga limite de 150 gSST/m².d no leito do primeiro estágio;
- Taxa hidráulica de até 0,75 m/d, também para o leito que está recebendo a aplicação do efluente;
- Carga de nitrogênio total no leito limitado em 30 gN/m².d; - Área superficial mínima de 0,8 m²/E.P;
Para o dimensionamento de etapas subsequentes (como wetland vertical e horizontal) são apresentadas algumas recomendações de eficiências esperadas no primeiro estágio de tratamento (VON SPERLING e SEZERINO, 2018):
- DBO > 80%; - DQO > 75%; - SST > 80%;
- Namoniacal < 50%.
Na literatura há também orientações para o dimensionamento de wetlands de fluxo horizontal em climas quentes. Segundo Molle et al. (2017) o dimensionamento para estes filtros se baseia em dois conceitos: um vinculado à hidráulica e outro à degradação de poluentes. A concepção hidráulica para o dimensionamento determina, através de uma equação, a seção hidráulica (largura e profundidade) do filtro para garantir que o efluente escoe dentro do maciço filtrante. E a degradação dos poluentes está associada ao desempenho do tratamento recorrente à fixação do tempo de permanência do efluente no sistema para garantir a eficiência necessária. Assim que definida a largura, a partir do conceito hidráulico de dimensionamento, é proposto um modelo para o dimensionamento, o qual se baseia em um coeficiente de degradação dos poluentes para a estimação do tempo de permanência do efluente no wetland. Esta configuração de dimensionamento ainda não foi testada em sistemas executados em clima tropical, então não é garantido que seja uma solução otimizada.
O documento organizado por Von Sperling e Sezerino (2018) para o dimensionamento de wetlands construído no Brasil, sugere o dimensionamento para filtros de fluxo horizontal recebendo esgoto pré-tratado, como também para wetlands do modelo francês, adaptado para o Brasil, recebendo esgoto bruto e, propõe o dimensionamento para uma segunda etapa do “sistema francês” com filtro vertical. Todos baseados na aplicação da carga orgânica e hidráulica no sistema.
Há modelos aplicáveis, para unidades de wetlands de fluxo vertical com areia, baseados no balanço de oxigênio necessário a atividade de remoção da matéria carbonácea (PLATZER et al., 2007). A baixa carga recebida nesta etapa (devido à provável alta eficiência da primeira etapa) sugere uma iminente otimização do dimensionamento (HOFFMANN et al., 2013).
Com alguns dos fatores apresentados de dimensionamento e atentando à população que será atendida como parâmetros, é possível obter o dimensionamento dos wetlands construídos para o tratamento do esgoto doméstico.
3.8 Parâmetros construtivos
Holffman et al. (2011) apresentam algumas condições necessárias para a construção e funcionamento dos wetlands construídos no tratamento de águas residuárias, tais como:
- Climas sem longos períodos gelados são preferíveis, mesmo que WC com escoamento subsuperficial funcionem em climas frios;
- É preferível situações de luz solar e ambientes de sombra total devem ser evitados. Especialmente para WC de escoamento subsuperficial, é muito importante que a área da superfície possa secar completamente, caso contrário o risco de obstrução pode aumentar devido ao crescimento excessivo de biofilme em condições úmidas;
- As plantas utilizadas devem ser adaptadas para o crescimento em condições parcialmente submersas, ao clima local e nas condições de luz solar/sombra;
- Como em todos os processos de tratamento biológico o afluente não deve conter substâncias tóxicas, embora o alto tempo de retenção torne os WC mais resistentes a eventos tóxicos em comparação com sistemas de maior carga;
- É necessária uma equipe de manutenção bem treinada para executar as tarefas básicas de manutenção.
Existem algumas considerações gerais sobre a construção dos WC de escoamento subsuperficial que, geralmente, são utilizados, conforme segue (HOLFFMANN et al., 2011):
- É recomendado uma borda livre de 15 cm para o acúmulo de água;
- A superfície deve ser plana e horizontal para impedir a distribuição desigual (significa que no caso dos wetlands de fluxo horizontal, o esgoto está fluindo através da superfície do WC para a saída, mas não infiltrando e, consequentemente, não recebendo tratamento;
- A área de entrada e a disposição dos tubos devem garantir uma distribuição uniforme das águas residuárias, sem admitir curtos-circuitos no fluxo;
- A seleção correta do material filtrante é crucial;
- O esgoto é aplicado no leito através de tubos de distribuição que possuem pequenos orifícios distribuídos igualmente ao longo do comprimento dos tubos;
- Os tubos de drenagem coletam o efluente tratado na base abaixo do leito filtrante; - É necessário um revestimento na base do WC para poder vedar o leito filtrante da base do filtro, podendo ser uma manta em PVC, uma camada de argila, uma base de concreto, etc;
- O revestimento evita o contato do esgoto com as águas subterrâneas, mas não melhora a qualidade do efluente e não impede a obstrução do filtro;
- As desvantagens são os custos adicionais, a dificuldade de encontrar um fornecedor local, poluição ambiental durante a produção das mantas de PVC e o custo para instalação.
Além disso, seguindo a literatura de Von Sperling e Sezerino (2018) e Molle et al. (2017) são recomendados para a primeira etapa dos wetlands de sistema francês em clima tropical alguns valores de granulometria e profundidade dos materiais filtrantes, como mostra a Tabela 1.
Tabela 1 – Recomendações de granulometria e profundidade de material filtrante
1ª Etapa Sistema Francês - clima
tropical Von Sperling e Sezerino (2018) Molle et al. (2017)
Hsup (filtrante) 30 a 80 cm 30 a 80 cm
Hint (transição) 10 a 20 cm 10 a 20 cm
Hinf (drenante) 20 a 30 cm 10 a 20 cm
GLsup (filtrante) Brita 0
(4,8 a 9,5 mm) 2 a 6 mm
GLint (transição) Brita 2
(19 a 25 mm) 20 mm
GLinf (drenante) Brita 3
(25 a 50 mm) 20 a 60 mm
Tabela 1 – Legenda
Legenda:
Hsup - altura da camada superior do meio suporte (camada principal, de filtração); Hint - altura da camada intermediária, de transição;
Hinf - altura da camada inferior, de drenagem;
Glsup - granulometria do leito na camada superior do meio filtrante; Glint - granulometria do leito na camada intermediária;
Glinf - granulometria do leito na camada inferior, de drenagem. Fonte: Elaborado pela autora (2020)
4 METODOLOGIA
O presente trabalho está inserido no projeto da empresa Rotária do Brasil Ltda, com o desenvolvimento de um sistema de wetlands construídos objetivando o tratamento de esgoto doméstico, como também futuras pesquisas de eficiência do sistema com apenas a primeira etapa do sistema francês (WTFF) e, também, com a inclusão de pós-tratamento de um wetland horizontal com brita comparado com um wetland vertical com areia. O esgoto a ser tratado no sistema provém da edificação da empresa Rotária do Brasil, onde há um total de 44 funcionários ativos que trabalham no escritório, somado ao esgoto de duas residências localizadas ao lado da empresa, onde habitam um total de 8 pessoas.
O projeto contempla a execução de três wetlands construídos, sendo a primeira etapa um wetland vertical para o recebimento do esgoto bruto, como o modelo francês, porém adaptado para as condições locais de clima, com dois filtros em paralelo, chamado Wetland tipo Fito Filtro (WTFF), como apresentado na revisão. A segunda etapa compreende um wetland horizontal completamente saturado, com a utilização de brita como material filtrante. O terceiro
wetland construído será de fluxo vertical com areia como meio filtrante, sendo que, poderá
atuar como segunda ou terceira etapa de tratamento, isto dependerá da eficiência do wetland horizontal.
4.1 Caracterização da área de estudo
O objeto de estudo apresenta o projeto de um sistema de wetlands que será instalado nas imediações da empresa Rotária do Brasil Ltda, localizada em uma região suburbana do bairro Santo Antônio de Lisboa, no município de Florianópolis/SC. Na Figura 5 é apresentada a localização da empresa no munícipio de Florianópolis e na Figura 6, é possível observar o local onde será implantado o sistema de wetlands.
O local é caracterizado pela ausência de uma rede coletora de esgoto e, diante disso, a empresa procura soluções para tratar o esgoto gerado, bem como, soluções eficientes de tratamento descentralizado que possam ampliar referências para pesquisa e mercado. Atualmente o esgoto da empresa é tratado por um reator de lodos ativados operado em bateladas sequenciais (SBR) em escala real.
Fonte: Google Earth (2020)
Fonte: Google Earth (2020)
Figura 5 – Localização empresa Rotária do Brasil
4.2 Parâmetros de projeto
4.2.1 Equivalente populacional
Um dos fatores de maior importância para o dimensionamento de wetlands construídos, que permite avaliar a quantidade de poluentes emitidos por uma pessoa, é expressa em equivalente habitacional. Como o sistema do trabalho presente vai tratar o esgoto proveniente de uma empresa e de duas residências, é necessário encontrar, da maneira mais precisa, os valores que representam a contribuição de carga orgânica e esgoto gerados. De acordo com o guia de dimensionamento de wetlands em clima tropical (MOLLE et al., 2017), existem coeficientes de correção para avaliação de capacidade de pequenos ambientes coletivos. A empresa Rotária, é caracterizada basicamente por escritórios, então entra na categoria de escritório para o coeficiente de correção, o qual é definido como 50 % do número total de pessoas que trabalham diariamente neste ambiente.
4.2.2 Contribuição per capita de esgoto
A contribuição per capita de esgoto pode ser definida pelo consumo de água per capita multiplicado pelo coeficiente de retorno (C). No entanto, há normativas que estabelecem recomendações de contribuição de esgoto diária per capita para determinado tipo de ocupação. A ABNT NBR 13969 (ABNT, 1997) apresenta valores médios de contribuição de esgoto (L/d) conforme a Tabela 2.
Tabela 2 - Contribuição diária de despejos por tipo de prédio e de ocupantes.
4.2.3 Características do afluente
A identificação das características do esgoto bruto que entra no sistema de tratamento é essencial para o dimensionamento da planta. O conhecimento das características do efluente associado aos parâmetros de qualidade recomendados para a destinação final, permitem definir o tratamento que pode ser adotado.
A especificação do esgoto sanitário varia quantitativa e qualitativamente conforme a sua utilização. A contribuição de esgoto depende de inúmeros fatores, como a região atendida, atividades desenvolvidas, hábitos de higiene, nível socioeconômico, nível de cultura e outras causas comportamentais (JORDÃO, 2009). Dentre os vários elementos que compõe as águas residuárias, é preferível utilizar parâmetros que representam o potencial poluidor e que definem a qualidade do esgoto. A DBO representa a quantidade de oxigênio consumida por microrganismos, presentes em uma determinada amostra de efluente, para realizar a decomposição da matéria orgânica carbonácea. Enquanto a DQO, corresponde à quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica através de um agente químico. Os sólidos suspensos presentes no esgoto representam a fração orgânica e inorgânica do efluente. E o nitrogênio está presente no esgoto em forma de amônia, em sua maioria, e o restante em forma orgânica.
4.2.4 Critérios para o dimensionamento
O objeto de estudo compreende um sistema com três diferentes estágios de wetlands, o que infere na definição de dimensionamento que melhor se emprega em cada um, atendendo a carga aplicada e a finalidade do tratamento.
Para a falta de critérios específicos de dimensionamento são definidos, conforme a ABNT NBR 12209 (ABNT, 1992), valores de carga orgânica de 54 g de DBO5 /hab.d e de
sólidos suspensos de 60 g de SS/hab.d. Da mesma forma, segundo a ABNT NBR 12209 (ABNT, 2011) podem ser usados valores na faixa de 90 a 120 g de DQO/hab.d e 8 a 12 g N/hab.d.
Os critérios de dimensionamento que se aplicam como parâmetros para a construção de wetlands de fluxo vertical em sistema francês com clima tropical são apresentadas abaixo, como já descrito anteriormente (MOLLE et al., 2017; VON SPERLING et al., 2018):
- carga de aplicação aceitável de 350 gDQO/m².d e 150 gDBO/m².d; - carga de sólidos limite de 150gSST/m².d;
- taxa hidráulica máxima de 0,75 m/d;
- área superficial eficiente para climas quentes de 0,8 m²/E.P.
Os parâmetros e informações utilizadas para o dimensionamento dos wetlands do pós-tratamento foram fundamentados de acordo com o documento de dimensionamento para
wetland construídos no Brasil (VON SPERLING e SEZERINO, 2018), levando em
consideração a remoção adotada na primeira etapa do tratamento, conforme segue:
- taxa de aplicação orgânica superficial máxima de 20 gDBO/m².d;
- taxa de aplicação orgânica superficial máxima para wetland horizontal, pós um pré-tratamento, de 15 gDBO/m².d;
- taxa de aplicação hidráulica superficial limite de 0,40 m/d;
- taxa de aplicação orgânica máxima na seção transversal do wetland horizontal de 250 gDBO/m².d.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste tópico são apresentados os cálculos da vazão afluente do esgoto bruto, da vazão de aplicação alimentada pelas bombas no reservatório, do dimensionamento dos módulos do sistema proposto, assim como, a caracterização do sistema, os aspectos construtivos aplicados no projeto, a estimativa de custos e eficiência esperada do sistema.
As plantas finais do projeto do sistema de wetlands com vista superior, vista lateral, cortes, detalhes e tabela de quantitativo podem ser encontradas nos Apêndices A e B.
5.1 Cálculo da vazão afluente do esgoto bruto
Segundo Von Sperling e Sezerino (2018) a vazão afluente que deve ser considerada no dimensionamento é a vazão média, e sendo caracterizado como um sistema individual e unifamiliar a vazão a ser atribuída no projeto é a vazão doméstica.
Usualmente, a vazão doméstica é obtida através da população de projeto e de um valor estipulado de contribuição diária de esgoto per capita.
Conforme citado anteriormente, o coeficiente de correção de equivalência populacional para escritórios é de 0,5, assim o número de funcionários ativos é dado conforme equação (1).
𝐸. 𝑃 = 0,5 × 44 = 22 𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎𝑠 (1)
Assim, somado aos 8 contribuintes das residências tem-se um equivalente populacional de 30 pessoas. Para efeitos de segurança no dimensionamento, foi atribuído residências de alto padrão como ocupação, que considera uma maior contribuição de esgoto (160 L/hab.d). O cálculo da vazão média de esgoto é definido pela equação (2).
𝑄𝑚𝑒𝑑 = 𝑃𝑜𝑝.× 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖çã𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 = 30 × 160 = 4,8 𝑚3/𝑑 (2)
5.2 Reservatório de armazenamento e vazão de aplicação
O sistema contará com um reservatório para armazenamento e distribuição do efluente através de um sistema de bombeamento. O reservatório utilizado será um modelo de caixa d’água com 5000 L de capacidade de armazenamento.
O tanque comportará duas bombas trituradoras, que serão utilizadas intermitentemente para a alimentação do sistema wetlands. As duas bombas operam em alternância, o sistema será programado por automação, de forma que a cada 3,5 dias é alimentada uma metade da superfície do filtro de forma intercalada.
A bomba trituradora atua como uma bomba centrífuga, mas equipada com um sistema de trituração na entrada, o que permite a redução das partículas menores formando uma massa homogênea do efluente, não se fazendo necessário o uso do gradeamento como pré-tratamento. Como o sistema receberá um reduzido fluxo de vazão por aplicação optou-se por utilizar bombas trituradoras de menor potência encontradas no mercado, sendo o modelo o CLAW-XSP14-7/1.1ID escolhido para o sistema.
A vazão de aplicação da bomba é definida a partir dos números de aplicações diárias de efluente. Em wetlands de fluxo vertical é necessário um grande intervalo entre as aplicações diárias para garantir que a superfície seque durante o repouso. Para a alimentação do sistema presente adotou-se um número médio de 6 aplicações diárias, assim a vazão de cada aplicação é calculada conforme a equação 3.
𝑄𝑎 = 𝑄𝑚𝑒𝑑 6 = 4,8 𝑚³/ 𝑑 6 = 0,8 𝑚 3 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎çã𝑜 (3)
5.3 Dimensionamento dos módulos
5.3.1 Módulo 1 – Wetland tipo Fito-Filtro
O dimensionamento de wetlands construídos envolve algumas variáveis, e como já descrito anteriormente, segundo Molle et al. (2017) e Von Sperling e Sezerino (2018) as cargas orgânicas e hidráulicas aplicadas à área superficial são os principais aspectos para o dimensionamento de wetlands do sistema francês em climas tropicais.
Para o dimensionamento da primeira etapa do sistema foram adotados os valores encontrados na literatura como parâmetros de projeto básico de unidades de tratamento de esgoto doméstico.
Então, como ponto de partida foram adotados os seguintes valores: 54 gDBO5 /hab.d,
60 g SS/hab.d, 120 gDQO/hab.d (ABNT NBR 12209, 1992 e 2011) e 3,5 gN/hab.d (conforme dados antes registrados pela Rotária). Assim, considerando o equivalente populacional do projeto igual a 30 pessoas, tem-se os valores apresentado na Tabela 3.
Tabela 3 - Parâmetros de projeto
Parâmetro Valor Unidade
E.P 30 pessoas DBO 1620 gDBO/d DQO 3600 gDQO/d SS 1800 gSS/d NTK 105 gNTK/d Q 4,8 m³/d
Fonte: Elaborado pela autora (2020)
São apresentados no guia de dimensionamento para wetlands em clima tropical (MOLLE et al., 2017) limites de taxa hidráulica e cargas orgânicas aplicáveis, bem como, relação de área superficial por habitante equivalente, os quais possibilitam, de modos distintos, a determinação da área requerida de um filtro.
A definição de qual critério melhor se aplicou para a definição da área requerida seguiu as recomendações de concentração de saída para as cargas aplicáveis e taxa hidráulica e garantiu a relação mínima recomendada de área superficial e equivalente populacional. Considerando a relação de 0,8 m²/E.P., a área superficial requerida pôde ser obtida através da equação (4).
𝐴𝑟 = 30 𝐸. 𝑃. × 0,8 𝑚2 / 𝐸. 𝑃. = 24 𝑚² (4)
Assim, cada leito filtrante com uma área superficial de 12 m². No entanto, como se trata de um sistema de escoamento vertical, as relações geométricas entre comprimento e largura são menos relevantes, e estão mais associadas com a distribuição adequada da vazão afluente em toda a superfície. Adotou-se para este filtro dois leitos de iguais dimensões (L:C = 1:1), sendo 12 m² a área de cada leito, obtém-se uma raiz quadrada de 3,46 m para largura e comprimento, por motivos de facilidade construtiva arredondou-se este valor para 3,5 m,
configurando assim uma área superficial para cada leito de 12,25 m² e resultando em uma área total de 24,5 m².
Desta forma, as cargas orgânicas aplicadas (CA) para DQO, DBO, SS e NTK do mesmo modo que a taxa de aplicação hidráulica (TAH), para a área total calculada, são definidas pelas equações 5, 6, 7, 8 e 9.
𝐶𝐴𝐷𝑄𝑂 = 3600 𝑔/𝑑 24,5 = 146,9 𝑔𝐷𝑄𝑂/𝑚 2. 𝑑 (5) 𝐶𝐴𝐷𝐵𝑂 = 1620 𝑔/𝑑 24,5 = 66,1 𝑔𝐷𝐵𝑂/𝑚 2. 𝑑 (6) 𝐶𝐴𝑆𝑆 = 1800 𝑔/𝑑 24,5 = 73,5 𝑔𝑆𝑆/𝑚 2. 𝑑 (7) 𝐶𝐴𝑁𝑇𝐾 =105 𝑔/𝑑 24,5 = 4,29 𝑔𝑆𝑆/𝑚 2. 𝑑 (8) 𝑇𝐴𝐻 =𝑄𝑚𝑒𝑑 𝐴𝑟 = 4,8 𝑚3 / 𝑑 24,5 = 0,196 𝑚/𝑑 (9)
Os valores obtidos estão dentro do que se recomenda para carga orgânica aplicada e taxa de aplicação hidráulica possibilitando este método aplicado como dimensionamento. Segundo o guia de Molle et al. (2017) outro método que é recomendado a ser utilizado é a partir da carga orgânica aplicada. Como citado anteriormente, segundo Molle et al. (2017) os filtros operam com uma carga orgânica aplicada de até 350 gDQO/m².d. De acordo com esta recomendação, calcula-se uma área requerida conforme a equação 10:
𝐴𝑟 = 3600 𝑔𝐷𝑄𝑂/𝑑
350𝑔𝐷𝑄𝑂/ 𝑚². 𝑑 = 10,29 𝑚
2 (10)
Desta forma, considerando que serão 2 leitos, tem-se uma área total de 20,58 m². Assim a carga de SS aplicada (𝐶𝐴𝑆𝑆), a carga de DBO aplicada (𝐶𝐴𝐷𝐵𝑂) e a taxa de aplicação
hidráulica (TAH) são obtidas seguindo as equações 11, 12 e 13:
𝑇𝐴𝐻 =𝑄𝑚𝑒𝑑 𝐴𝑟 = 4,8 𝑚3 / 𝑑 20,58 = 0,23 𝑚/𝑑 (11) 𝐶𝐴𝐷𝐵𝑂 =1620 𝑔/𝑑 20,58 = 78,71 𝑔𝐷𝐵𝑂/𝑚 2. 𝑑 (12) 𝐶𝐴𝑆𝑆 =1800 𝑔/𝑑 20,58 = 87,46 𝑔𝑆𝑆/𝑚 2. 𝑑 (13)
Os valores obtidos de cargas aplicadas de SS e DBO, a partir deste método, não estão dentro do que a literatura recomenda como limite. Desta forma, adotou-se o método calculado primeiramente para fins de dimensionamento, por garantir a relação 0,8 m²/EH e as concentrações máximas de 75 gSS/m².d e 75 gDBO/m².d.
5.3.2 Módulo 2 – Wetland de fluxo horizontal com brita
Na literatura não se encontram muitas referências para o dimensionamento de filtros horizontais com brita utilizados como pós tratamento. Como um dos objetivos deste sistema é a comparação de eficiência do filtro vertical com o filtro horizontal como pós-tratamento, optou-se por uma geometria semelhante entres os dois filtros, mas com uma maior distância possível entre entrada e saída do efluente no filtro horizontal, para garantir que o esgoto percole determinado tempo no leito entrando em contato com as raízes e bactérias decompositoras.
Conforme experiências realizadas com o WTFF, inicialmente considerou-se os seguintes percentuais de redução das cargas aplicadas e taxa hidráulica na primeira etapa
(MOLLE et al., 2017; VON SPERLING et al., 2018): 85% de DBO, 75% de DQO, 85% de SST, 40% de NTK e 1% na vazão.
Isto posto, definiu-se a largura e comprimento do filtro em 2,5 m e 5,5 m respectivamente, que multiplicados obtém-se uma área superficial de 13,75 m².
Em posse do valor da área superficial do leito filtrante, calculou-se a taxa de aplicação orgânica superficial (𝑇𝐴𝑂𝐷𝐵𝑂) utilizando a relação entre a carga de DBO afluente ao wetland e área requerida adotada, como mostra a equação (14).
𝑇𝐴𝑂𝐷𝐵𝑂 =𝐶𝐴𝐷𝐵𝑂 𝐴𝑟 =
243 𝑔. 𝐷𝐵𝑂/ 𝑑
13,75 𝑚² = 17,67 𝑔. 𝐷𝐵𝑂/𝑚². 𝑑
(14)
No documento de dimensionamento para wetlands construídos no Brasil (VON SPERLING e SEZERINO, 2018) recomenda-se para o dimensionamento de wetlands de fluxo horizontal uma taxa de aplicação orgânica máxima de 15 g.DBO/m².d. Contudo, considerando que a primeira etapa do tratamento (WTFF) é capaz de atingir uma eficiência em até 96% de remoção de carga orgânica, optou-se por considerar como parâmetro uma taxa de aplicação orgânica superficial limite de 20 g.DBO/m².d, a qual é usado como referência em wetlands do 2º estágio no sistema francês, conforme Von Sperling e Sezerino (2018). Ou seja, a taxa calculada é aceitável dentro do contexto o qual será aplicada.
Para a verificação da taxa de aplicação orgânica máxima na seção transversal, o qual visa evitar cargas aplicadas excessivas na seção transversal, que poderiam implicar maiores acúmulos de sólidos na zona de entrada e assim, gerar uma colmatação mais rápida, é adotado como parâmetro para wetlands horizontais uma taxa limite de 250 g.DBO/m².d (VON SPERLING e SEZERINO, 2018). Assim, calculou-se conforme equação (15) a taxa de aplicação orgânica na seção transversal (𝑇𝐴𝑂𝑡𝑟.𝐷𝐵𝑂).
𝑇𝐴𝑂𝑡𝑟.𝐷𝐵𝑂 = 𝐶𝐴𝐷𝐵𝑂 𝐴𝑡 = 243 𝑔. 𝐷𝐵𝑂/ 𝑑 2,5 𝑚 × 0,6 𝑚 = 162 𝑔. 𝐷𝐵𝑂/𝑚². 𝑑 (15)
A partir deste valor é provável de constatar que o risco de colmatar o filtro por excesso de sólidos na entrada do filtro é baixo, pois o valor calculado está bastante inferior ao limite adotado.
5.3.3 Módulo 3 – Wetland de fluxo vertical com areia
Assim como o filtro horizontal dimensionado anteriormente, o wetland de fluxo vertical foi dimensionado com o objetivo de realizar um pós-tratamento do efluente advindo do WTFF. Como espera-se, conforme experiências realizadas pela empresa Rotária, que a primeira etapa do sistema obtenha uma eficiência acima do que a norma exige, as dimensões destes filtros foram adotadas de acordo com o enquadramento geral do sistema.
Para a definição das dimensões do leito optou-se por uma relação de 1:1 (L:C), assim como os dois leitos do WTFF. Adotou-se uma mesma largura do filtro horizontal de 2,5 m e, consequentemente, um comprimento de 2,5 m. Assim, tem-se uma área superficial de 6,25 m².
Desta forma, tem-se a mesma redução das cargas aplicadas e taxa hidráulica com os seguintes percentuais de redução: 85% de DBO, 75% de DQO, 85% de SST, 40% de NTK e 1% na vazão.
A partir da área calculada é possível verificar se os valores de taxa de aplicação orgânica superficial e taxa de aplicação hidráulica seguem o que é recomendado na literatura para wetland vertical como segunda etapa de tratamento.
Como atestam as notas técnicas, segundo Von Sperling e Sezerino (2018), o valor limite para a taxa de aplicação orgânica superficial para segunda etapa do “sistema francês” é 20 g.DBO/m².d. Com o valor de área adotado, e com a carga orgânica obtida após a remoção adotada no WTFF, tem-se como taxa de aplicação orgânica, o valor dado pela equação (16).
𝑇𝐴𝑂𝐷𝐵𝑂 =𝐶𝐴𝐷𝐵𝑂 𝐴𝑟
= 243 𝑔. 𝐷𝐵𝑂/ 𝑑
6,25 𝑚² = 38,88 𝑔. 𝐷𝐵𝑂/𝑚². 𝑑
(16)
É evidente que a taxa calculada ultrapassa extremamente o valor real recomendado. Assim como a verificação da taxa de aplicação hidráulica, a qual tem como valor limite proposto de 0,40 m/d para segunda etapa no “sistema francês”, conforme a equação (17).
𝑇𝐴𝐻 =𝑄𝑚𝑒𝑑 𝐴𝑟 =
4,752 𝑚3/𝑑
6,25 𝑚² = 0,76 𝑚/𝑑
Com estas informações é possível interpretar que as dimensões adotadas para o filtro foram precipitadas considerando a carga orgânica e hidráulica que serão aplicadas.
Assim, recomenda-se aplicar para este wetland a metade da vazão de alimentação do sistema para que o seu tratamento seja atendido.
Desta maneira, assumindo que a vazão alimentada no filtro será metade da vazão, calculou-se uma nova taxa de aplicação hidráulica para verificação do limite admitido, conforme equação (18). 𝑇𝐴𝐻 =𝑄𝑚𝑒𝑑/2 𝐴𝑟 = 2,376 𝑚³/𝑑 6,25 𝑚² = 0,38 𝑚/𝑑 (18)
Sabendo-se que o WTFF será alimentado com 6 aplicações ao longo do dia, vazão média reduzida em 6 vezes por aplicação, e que o wetland vertical com areia será alimentado por gravidade vindo do WTFF, pressupõe-se que as dimensões adotadas possam suportar as cargas aplicadas. Porém, caso não venha a ter êxito, sugere-se reduzir a vazão à metade com a instalação de uma bomba para alimentar o wetland, a qual atende a taxa de aplicação hidráulica limite pela área de atuação.
Dado que este wetland funcionará como pós-tratamento do WTFF ou poderá atuar como um complemento ao pós-tratamento do WCFH, o objetivo, além de tratar o esgoto, é a pesquisa que poderá ser realizada com base nos variados valores de carga que poderão ser aplicados com a finalidade de encontrar a melhor eficiência. Com base em experiências já mencionadas no texto, espera-se que a eficiência no WTFF possa cumprir como objetivo de tratamento, o que flexibiliza os wetlands construídos como pós-tratamento para a exploração na pesquisa.
5.4 Caracterização do sistema
Foram projetados para o sistema 4 leitos de wetlands, como indicado na Figura 7, que totalizam uma área de 54 m². Além dos filtros, o sistema contará com três poços idênticos para armazenamento e posterior distribuição do efluente com as seguintes dimensões: 80 cm de diâmetro com 100 cm de altura.
.
Fonte: Elaborado pela autora (2020)
O sistema funcionará a partir da chegada do esgoto bruto em uma elevatória existente no local, a qual comportará o esgoto oriundo da empresa e o esgoto pós caixa de gordura gerado nas residências. O esgoto na elevatória será bombeado para uma caixa d’água, com capacidade de 5000 L, em que terão duas bombas trituradoras instaladas para o bombeamento do esgoto até a primeira etapa do sistema, o WTFF. O sistema de recalque será controlado por automação e regulado com o nível da elevatória. Os intervalos reais de funcionamento das bombas ficarão registrados em um banco de dados, disponível via internet. O sistema de automação e controle online é realizado pelo sistema SCADAweb da empresa Rotária do Brasil.
