DESEMPENHO DE UM WETLAND CONSTRUÍDO HORIZONTAL EMPREGADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO AO LONGO DE 20 ANOS DE OPERAÇÃO

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UTFPR – Câmpus Curitiba, Avenida Sete de Setembro, 3165 - Rebouças, Curitiba 2º Simpósio Brasileiro sobre Wetlands Construídos – 11 a 13 de Junho de 2015

DESEMPENHO DE UM WETLAND CONSTRUÍDO HORIZONTAL

EMPREGADO NO TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO AO LONGO

DE 20 ANOS DE OPERAÇÃO

Benny Zuse Rousso*

Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental

benny.rousso@gmail.com

Catiane Pelissari

catianebti@gmail.com

Caio Matos Rosa

caiomatosrosa@hotmail.com

Luiz Sérgio Philippi

l.philippi@yahoo.com.br

Pablo Heleno Sezerino

pablo.sezerino@ufsc.br

Resumo

A tecnologia tipo wetlands construídos é uma alternativa para tratamento de águas residuárias com baixo custo de implantação e manutenção, operação simplificada e depuração refinada de efluentes diversos. A compreensão e aferição de seus fundamentos e resultados são norteadores de sua aplicação prática. Ainda que sua aplicação e aprofundamento acadêmico em termos mundiais cresçam, a tecnologia apresenta poucos estudos relativos à vida útil de operação e seu respectivo desempenho por períodos extensos. Este trabalho teve como objetivos a compilação e análise de desempenho de um wetland construído horizontal, situado no município de Agronômica, Santa Catarina, e que vem tratando esgotos domésticos ao longo de 20 anos de operação. Por meio de revisão bibliográfica e atividades laboratoriais e de campo, pôde-se verificar a efetividade do sistema em estudo ao longo de sua operação. Apesar de situações adversas como o carreamento de argila sobre sua área de operação, ocorrido no início de 2014, o sistema apresentou resiliência

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fornecendo remoções de matéria orgânica superiores a 85% e remoções de nutrientes na ordem de 80 a 98%, obedecendo critérios estabelecidos em normativas de escala Estadual.

Palavras-chave: Esgoto doméstico. Wetlands construídos horizontais. Tempo de operação.

1 Introdução

Os wetlands construídos (WC) são uma tecnologia de tratamento de águas residuárias que simulam e replicam de forma otimizada ambientes naturais onde ocorrem o amortecimento e absorção de cargas orgânicas na natureza. Esses sistemas são mundialmente empregados para o tratamento de diversos tipos de efluentes e permitem a obtenção de efluentes com padrão satisfatório de qualidade em termos de matéria orgânica carbonácea, sólidos em suspensão e frações nitrogenadas. Além disso, apresentam baixo custo de implantação e manutenção, quando comparados aos sistemas compactos com indução de energia, e, também, operação simplificada. (SEZERINO, 2006).

Uma das modalidades que os WC apresentam é o wetland construído horizontal (WCH), caracterizado pelo sentido de fluxo hidráulico. Os WCH são aplamente empregados para a remoção de materia organica carbonácea e, sobretudo, remoção de sólidos.

Dentre os vários fatores intrínsecos à compreensão dos fenômenos associados aos WCH, a identificação de seu comportamento ao longo dos anos, ou vida útil, é de elevada importância. Todavia, são escassas na literatura exemplificações de sistemas monitorados com longevidade maior do que 5 anos.

Diante desse cenário, este artigo tem como objetivo analisar o desempenho de um WCH empregado no tratamento de esgoto doméstico ao longo de 20 anos de operação.

2 Metodologia

Para análise do desempenho do WCH em estudo, dividiu-se a metodologia em três etapas: • Levantamento e compilação de dados antigos;

• Campanha com frequência mensal para coleta de esgoto tratado; • Análise físico-química e estimativa de vazão e carga aplicadas.

2.1 Descrição do WC em estudo

O WC estudado foi implantado no Centro de Treinamento de Agronômica (CETRAG) do município de Agrônomica/SC, pertencente à Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina (EPAGRI) A principal atividade do CETRAG é a realização de eventos de capacitação, caracterizando os efluentes gerados como domésticos, oriundos de atividades sanitárias e de cozinha.

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O sistema foi construído há 20 anos e sua operação se dá desde sua implementação. O sistema é composto por uma caixa de gordura, seguido por tanque séptico, finalizando seu tratamento com um WCH que despeja seu efluente em uma lagoa com peixes.

O WCH possui área superficial de 340 m2 e área transversal de 7,8 m2. A profundidade é de 60 cm (Figura 1). O material filtrante é uma mistura de areia, saibro e casca de arroz e as macrófitas plantadas pertencem à família Poaceae, gênero Zizanipsis (PHILIPPI et al., 2006).

Figura 1: Foto ilustrativa do WCH implantado em 1994 no CETRAG, em Agronômica / SC

Fonte: PHILIPPI et al. (2006)

2.2 Levantamento de dados antigos

A primeira etapa foi o levantamento de dados de desempenho do WCH do CETRAG. Ao total, duas campanhas foram realizadas previamente, sendo investigados os parâmetros físico-químicos e biológicos pH, DBO, DQO, SS, NT, N-NH4+, N-NO3-, PT e P-PO43-. Não houve registro de vazões afluentes ou efluentes.

Philippi et al., (1999), realizaram a primeira campanha no primeiro ano de operação do sistema, de Julho/94 a Julho/95. Ao total, 12 amostragens foram feitas, sendo a frequência mensal. Foram coletados 3 pontos: o primeiro referente ao esgoto bruto, o segundo após o tanque séptico, e o terceiro, após o WCH.

Philippi et al., (2007), realizaram a segunda campanha dez anos após o início de operação do sistema, de Outubro/2005 a Outubro/2006. Foram, também, realizadas 12 coletas. Foram

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amostrados dois pontos: o primeiro imediatamente após o tanque séptico, caracterizando o afluente ao WCH, e, o segundo, após o WCH, caracterizando o efluente do WCH.

2.3 Campanha de 2014

A terceira campanha foi iniciada em Setembro de 2014. A coleta foi realizada mensalmente. Amostrou-se 2 pontos, um na entrada e outro saída do WCH. Os parâmetros analisados foram pH, DQO, SS, N-NH4+, e P-PO43-. Todos os parâmetros foram realizados seguindo recomendações de APHA (2005), com exceção de N-NH4+, que foi realizado seguindo a metodologia de Vogel (1981).

2.4 Estimativa de vazão

Os valores de vazão contribuinte foram obtidos por método indireto devido à impossibilidade de medição no local. Para tal, foi obtido junto à secretaria do CETRAG o histórico de visitação do estabelecimento. Posteriormente, os dados foram trabalhados utilizando coeficientes da literatura de consumo per capita para a atividade em questão.

A atividade foi classificada como hoteleira com setor de cozinha e adotou-se os valores sugeridos por Metcalf & Eddy (1991), distinguindo-se entre frequentadores diários (38 L/dia.pessoa) e frequentadores que pernoitam (187 L/dia.pessoa).

Para análise do desempenho do sistema, foi considerada somente a vazão contribuinte durante a campanha atual, especificamente do período de fevereiro/14 a novembro/14.

3 Resultados e discussão

Para verificação do desempenho do WCH ao longo de seu tempo de operação, foi analisado de forma isolada a terceira campanha, e de forma integrada a evolução das campanhas, comparando-se com legislação pertinente e literatura.

3.3 Terceira campanha

Os resultados obtidos na terceira campanha foram afetados por um incidente local no início do ano de 2014. Um loteamento no terreno vizinho carreou argila sobre o WCH, afetando seu funcionamento e causando o surgimento de escoamento superficial conforme demonstrado nas Figuras 2. A Tabela 1 fornece os dados médios obtidos durante a terceira campanha.

Observou-se que o sistema apresentou liberação de sólidos no efluente, explicitado pelo valor negativo de remoção percentual do parâmetro SS. Esta baixa eficiência de remoção de sólidos provavelmente está atrelada ao carreamento inesperado de argila sobre o WC, como também pode ser reflexo do longo período de operação do sistema. Entretanto, mesmo em face de tal situação adversa, o sistema conseguiu apresentar uma boa remoção média de DQO, de 88%.

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Figura 2 – Situação do WCH em 2014. a) Alto teor de argila no meio filtrante; b) Escoamento superficial no WCH.

Fonte: Autoria própria (2014).

Tabela 1 – Resultados médios e desvio padrão (DP) referente aos resultados físico-químico e biológico obtidos durante a campanha de 2014.

Parâmetros *n= 3

Ponto 1

Afluente Efluente Ponto 2 Ponto 1-2 Remoção

Média DP Média DP % pH 5.8 ±0.6 6.2 ±0.30 - Alcalinidade (mg/L) 137 ±75 196 ±32 - DQO (mg/L) 880 ±225 109 ±56 88% SS (mg/L) 77 ±25 78 ±10 -2% N-NH4+ (mg/L) 57,8 ±10.4 5,8 ±3.1 90% P-PO43- (mg/L) 38 ±6,13 0,67 ±0,94 98%

*n = número de amostragens válidas. Fonte: Pesquisa de campo (2014).

Tanto o pH quanto a alcalinidade aumentaram, indicando a presença de ambiente redutor, como esperado para um WCH.

Visto a elevada remoção de NH4+ e o incidente com o carreamento de argila sobre o WCH, infere-se que sua remoção pode estar relacionada principalmente à adsorção no material filtrante, ou por assimilação das plantas, visto a ausência de ambiente favorável à nitrificação. Vymazal (2009) afirma que as macrófitas são capazes de remover cerca de 10% do total de nitrogênio através da tecnologia de WC. Zhu et al. (2011) calcularam a taxa de adsorção cinética de diversos solos visando à aplicação destes em WCs e encontram valores de 588 mgNH4+/kgsolo e 555 mgNH4+/kgsolo para solos do tipo várzea e solos vermelhos, ambos ricos em argila.

O parâmetro P-PO43- apresentou excelente remoção e pode também estar relacionado à presença de argila em meio ao material filtrante. A assimilação das plantas geralmente apresenta remoção de fósforo insignificante à parcela total presente nos esgotos (BRIX, 1997). A adsorção é sugerida como mecanismo predominante na remoção de fósforo, o que é passível de saturação.

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Dessa forma, espera-se que a remoção média de fósforo diminua ao longo da vida útil do sistema (TANNER; SUKIAS; UPSDELL, 1999).

Segundo a lei estadual 14.765/09, que institui o Código Estadual do Meio Ambiente de Santa Catarina, o efluente se encontra apto para o lançamento em corpos d´água tanto em termos de fósforo (concentração média inferior a 4 mg/L e remoção superior a 75%), quanto para nitrogênio amoniacal (concentração média de 5,8 mg/L e remoção de 90%).

3.3.1 Estimativa de vazão e carga afluente

A estimativa de vazão apresentou alta variabilidade de contribuições, visto a atividade esporádica do CETRAG. A Figura 3 ilustra os valores de vazão diários estimados.

Figura 3- Variação de contribuição de vazão ao longo do período de fevereiro a novembro/2014

Fonte: Pesquisa de campo (2014).

A vazão que possuiu valor mais recorrente, em 54% do período de amostragem, foi igual a vazão mínima registrada de 0,15 m3/d.

Como valores máximos, o maior valor estimado no período como um todo foi igual a 14,5 m3/d. A média dos valores máximos mensais foi de 7,5 m3/d com desvio padrão de 3,8 m3/d. O valor médio global foi de 1,59 m3/d com desvio padrão de 2,35 m3/d, coerente com a alta intermitência do sistema.

Para análise da carga aplicada ao sistema, constituíram-se três cenários: a partir da vazão mínima, da média e da média dos máximos. A Tabela 2 fornece os dados de carga aplicada à seção transversal e superficial em cada cenário.

Comparativamente a outros sistemas, observou-se no WCH do CETRAG eficiências de remoção superiores aos demais. Ao mesmo tempo, evidenciou-se cargas aplicadas inferiores às

0 2 4 6 8 10 12 14 16

fev-14 mar-14 mai-14 jul-14 ago-14 out-14

m

3/d

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comparadas, explicitando-se, assim, um sistema superdimensionado (Tabela 3).Para a comparação, utilizou-se a área superficial do WCH de Agronômica (≈ 340m2) e a vazão média. A escolha da vazão média se deu pelo fato de 75% das vazões diárias serem menores do que 3m3/d.

Tabela 2 – Carga aplicada no WCH do CETRAG durante a campanha de 2014.

Carga Aplicada g/m2.d

Mínima Média Média Máxima

Trans Superf. Trans. Superf. Trans. Superf. DQO 17,15 0,39 179,42 4,12 846,31 19,42

SS 1,50 0,03 15,70 0,36 74,04 1,70

N-NH4+ 1,11 0,03 11.57 0,27 54,56 1,25

P-PO43- 0,74 0,02 7,75 0,18 36,54 0,84

Fonte: Pesquisa de campo (2014).

Tabela 3 – Comparativo entre o sistema em estudo com valores de literatura WCH.

Comparativo Carga Superficial Comparativo Remoção de Concentração Autor SS DBO* N- NH4+ P-PO43- PT*1 SS DBO* N- NH4+ P-PO43- PT* Sardón et al. (2006) 2 2 2 - 2 2 1 1 - 1 Stewart (2005) 2 1 1 - 1 2 1 2 - 1 Costa et al. (2013) 2 2 2 - 2 2 1 1 - 1 Philippi et al. (2006) - - - 2 1 1 1 - Philippi et al. (2006) - - - 2 1 1 1 - Philippi et al. (2006) - - - 2 2 1 1 - Philippi et al. (2006) - - - 2 1 1 1 - Sezerino (1999) 2 2 2 2 - 2 1 1 1 - Watson (1990) 2 1 1 - 2 2 2 1 - 1 Sezerino (2006) 2 2 2 2 - 2 1 1 1 - Sezerino (2006) 2 - 2 2 - 2 2 1 1 -

As células com número 2 e em vermelho representam que o sistema em estudo possui parâmetro menor que o do sistema comparado, enquanto que a célula com valor igual a 1 e coloração verde, maior. As células em branco representam a ausência de parâmetro no estudo comparativo. A carga utilizada para comparar com trabalhos terceiros foi estimada a partir da vazão média superficial e a concentração média obtida durante a campanha de 2014.

* - Por ausência de valores de DQO e PO43- nos estudos comparativos, comparou-se com os parâmetros DBO e PT, respectivamente.

1

- Para conversão de PT para PO4

3-, utilizou-se a relação de [PO4

3-_{] ≈ 0,7[PT] (WPC, 1983).}

3.4 Evolução do WCH ao longo de 20 anos de operação

A evolução do desempenho do WCH se deu através da comparação dos parâmetros comuns às três campanhas realizadas. Na Tabela 4 compilam-se os valores de concentração na entrada e na saída do WCH e sua respectiva remoção percentual.

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UTFPR – Câmpus Curitiba, Avenida Sete de Setembro, 3165 - Rebouças, Curitiba 2º Simpósio Brasileiro sobre Wetlands Construídos – 11 a 13 de Junho de 2015 Tabela 4– Evolução do desempenho do WCH de Agronômica.

Parâmetros

Remoção

Entrada – Saída (Porcentagem)

1994 - 1995 2005 - 2006 Set - Nov/2014 DQO (mg/L) 695 – 302 (57%) 1699 – 30 (98%) 880 – 109 (88%) SS (mg/L) 180 – 74 (59%) 274 – 45 (84%) 77 – 78 (-2%) N-NH4+ (mg/L) - 1 61,5 – 18,5 (70%) 57,8 – 15,8 (80%) PT (*P-PO43-) (mg/L) 41 – 13 (68%) *31,4 – 7,4 (76%) *38 – 0,7 (98%) 1- não há medição.

ND – abaixo do limite de detecção do método.

Fonte: Philippi et al., (1999); Philippi et al., (2007); Pesquisa de campo (2014).

Observou-se uma evolução de eficiência geral de remoção da primeira campanha para a segunda. A primeira campanha, por ter sido realizada próxima ao início de operação do sistema, apresenta eficiências inferiores.

Segundo a lei estadual 14.765/09, o efluente, na primeira campanha, estaria irregular no quesito de fósforo total. Este apresenta concentração superior a 4mg/L e eficiência de remoção inferior a 75%, para lançamento em corpos hídricos interiores, lagunas e estuários. O sistema também apresentou baixa eficiência em relação ao parâmetro DBO, estipulado de concentração máxima de 60mg/L ou remoção superior a 80%.

A evolução supracitada explicita-se no aumento das taxas de remoção de DQO e SS, principalmente, de 57 a 98% e 59 a 84%, respectivamente.

A melhoria também se expressa pela adequação do tratamento à lei estadual catarinense 14.765/09. No cenário observado durante a segunda campanha, o parâmetro fósforo não restringe o lançamento do efluente tratado, uma vez que possui remoção superior a 75%. O parâmetro DBO também está adequado conforme o mesmo papel legal, com concentração inferior a 60mg/L, além de possuir remoção superior a 80%;

Referente a terceira campanha, verifica-se uma redução da eficiência de DQO e SS, de 98 a 83% e 84 a 26%, respectivamente, em relação a segunda. Acredita-se que a entrada de argila no sistema comprometeu a eficiência de remoção desses dois parâmetros.

Ao mesmo tempo, houve um aumento na remoção de amônia e fósforo. Souza et al. (2004) relatam que a remoção de fósforo tende a diminuir ao longo da operação do sistema, devido à inerente saturação do meio filtrante; contudo, isto não foi o ocorrido no sistema do CETRAG.

O carreamento de argila, muito provavelmente, está relacionado com esta remoção devido a alta capacidade de adsorção das argilas (ZHU et al, 2011), sendo o processo de adsorção o mecanismo com maior percentual de remoção de fósforo em WC (BRIX, ARIAS e BUBBA, 2001).

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Um incremento também pode estar associado devido a recente poda do sistema. Esta, ao ser realizada, resulta numa maior demanda de nutrientes para crescimento vegetal e consequentemente, maior assimilação (BRIX, 1997).

4 Conclusões

Com base no monitoramento de um WCH empregado no tratamento de esgoto doméstico ao longo de 20 anos de operação, conclui-se:

 Foi possível observar que o sistema apresentou ao longo de sua vida operacional valores satisfatórios em termos de remoção de matéria orgânica e nutrientes;

 O WCH apresentou boas remoções médias de NH4+, DQO, e PO43-, na ordem de 79, 81 e 81%, respectivamente, ao longo de toda sua operação;

 A remoção de SS global foi próxima de 48%, apresentando uma queda considerável durante o ano de 2014;

 O carreamento de argila ocorrida no ano de 2014 pode estar associado com o aumento de remoção de nutrientes, em específico de NH4+ e PO43-, para ordem de 90 e 98%, respectivamente;

 A colmatação do sistema pode estar associada com o carreamento de argila, gerando escoamento superficial e a diminuição da eficiência do sistema na remoção de SS;

 O sistema apresentou resiliência e foi capaz de fornecer uma remoção satisfatória de DQO, de 88%;

 A tecnologia de WC apresentou-se como uma opção viável, de baixo custo de implantação e manutenção, operação simplificada e resiliência a eventos contrários a sua operação, permitindo uma depuração refinada de efluentes domésticos.

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