Potencialidade dos filtros plantados com macrófitas (constructed Wetlands) no pós-tratamento de lagoas de estabilização sob condições de clima subtropical

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pos-Graduação em Engenharia Ambiental.Filtros plantados com macrófitas, constructed wetlands, são sistemas naturais projetados sob critérios de engenharia e empregados no tratamento de esgotos domésticos, industriais e agrícolas. Estudos e aplicações da combinação destes filtros com lagoas de estabilização no tratamento de esgotos domésticos, vêm sendo intensificados desde 1990, principalmente, na Europa. Em regiões de clima subtropical, caso do sul do Brasil, inexistem trabalhos utilizando a seqüência lagoas de estabilização seguido de filtros plantados com macrófitas no tratamento de esgotos domésticos, contribuindo para o déficit do saneamento da região. Este trabalho tem como objetivo geral identificar e avaliar a potencialidade de filtros plantados com macrófitas no pós-tratamento de efluente de lagoas de estabilização empregadas sob clima subtropical, a fim de aplicá-los como alternativa tecnológica para o tratamento descentralizado de esgotos domésticos. A base metodologia empregada conduziu a ações diferenciadas em quatro etapas, sendo uma em laboratório, duas em experimento de campo conduzidas simultaneamente e uma por simulação computacional empregando-se o software AQUASIM®. Em laboratório, durante um período de sete meses, buscou-se através de ensaios em colunas de PVC (DN 150) a identificação do material filtrante a ser empregado nos filtros plantados. Para as etapas de campo, foram construídos e avaliados, durante um período de vinte e dois meses, dois FPMHs em paralelo (10m2 de área; 0,60m profundidade, cada unidade), plantados com Typha domingensis, implantados a jusante de duas lagoas facultativas pilotos de tratamento secundário de esgotos domésticos, a fim de se identificar as potencialidades dos filtros no polimento de efluente de lagoas facultativas, notadamente em relação a remoção dos sólidos em suspensão. Apenas um FPMH (submetido a uma taxa hidráulica de 83mm/d) foi empregado no polimento do efluente das lagoas facultativas, enquanto que o outro permaneceu em repouso durante doze meses, sendo então posto em operação como unidade complementar FPMVs, (também sob uma taxa hidráulica de 83mm/d e plantados com a mesma macrófita) durante a segunda etapa de campo. Para esta segunda etapa de campo, realizada durante um período de nove meses, implantou-se seis módulos de FPMVs (2,57m2 de área em cada módulo, com densidade de plantio de 4mudas/m2 de Typha domingensis), submetidos a diferentes taxas hidráulicas (153,70mm/d, 230,74mm/d e 307,39mm/d) e diferentes cargas de sólidos suspensos (10gSS/m2.d, 15gSS/m2.d e 20gSS/m2.d), com o objetivo de se identificar as potencialidades de nitrificação do efluente da lagoa anaeróbia e da desnitrificação, sem introdução de carbono, promovida pelo FPMH pós FPMVs. Os resultados obtidos ao longo de todas as etapas apontaram: (i) à utilização da areia (d10 = 0,20mm e U = 4,9) como material filtrante dos filtros plantados; (ii) uma potencialidade de remoção de 80% de DBO5 e 94% de SS quando da utilização de FPMH pós lagoas anaeróbia seguidas de facultativas; (iii) nitrificação de 73% do total de nitrogênio amoniacal removido no FPMV com 0,75m de espessura de material filtrante (0,05m de brita 1 no topo, 0,60m de areia no meio e 0,10m de brita 1 no fundo), submetido a uma taxa hidráulica de 230,74mm/d e cargas orgânicas de 41gDQO/m2.d, 15gSS/m2.d, 12,7gNTK/m2.d e 10,2gNH4-N/m2.d.; (iv) desnitrificação no FPMH de 61% do nitrogênio nitrato efluente dos FPMVs, sem a necessidade da introdução forçada de carbono orgânico no filtro; (v) uma adaptação das macrófitas em todos os filtros e (vi) uma boa indicação do potencial de nitrificação em filtros verticais através da simulação computacional, quando utilizado cinéticas e coeficientes estequimétricos definidos pelo modelo ASM1 (Active Sludge Model N°1). A partir das conclusões geradas neste estudo, recomenda-se o uso de filtros plantados com macrófitas associadas às lagoas de estabilização no tratamento de esgotos domésticos, principalmente para locais com densidade populacional inferior a 50 habitantes/km2, caso verificado em oito dos treze municípios da Grande Florianópolis, estado de Santa Catarina, sul do Brasil. Soil filters planted with macrophytes, known as constructed wetlands, are natural systems designed using engineering criteria which are applied in the treatment of domestic, industrial and agricultural wastewaters. Studies and applications of a combination of these filters with stabilization ponds in the treatment of domestic wastewaters have been increasing since 1990, mainly in Europe. In regions with a subtropical climate, as in the case of southern Brazil, there have been no studies to date which use a sequence of stabilization ponds followed by constructed wetlands in the treatment of domestic wastewaters, contributing to the lack of sanitary facilities in the region. The overall aim of this study is to identify and evaluate the potential for constructed wetlands in the post-treatment of effluent from stabilization ponds applied in a subtropical climate, with a view to applying them as an alternative technology for the decentralized treatment of domestic wastewaters. The basic methodology employed led to four stages, one in the laboratory, two field experiments carried out simultaneously and one computer simulation using the software AQUASIM®. In the laboratory, for a period of seven months, tests were carried out in PVC (DN 150) columns to identify the filter material to be employed in the constructed wetlands. For the field stages, two HFCWs in parallel (10m2 area; 0.60m depth, each unit), planted with Typha domingensis, installed next to two pilot facultative treatment ponds for the secondary treatment of domestic wastewaters, were constructed and evaluated for a period of twenty-two months, in order to identify the potential of the filters in the polishing of the facultative pond effluents, particularly in relation to the removal of suspended solids. Only one HFCW (submitted to a hydraulic loading rate of 83mm/d) was employed in the polishing of the effluent from the facultative ponds while the other remained at rest for twelve months, it then being put into operation as a complementary VFCWs unit (also with a hydraulic loading rate of 83mm/d and planted with the same macrophyte) for the second field stage. For this second field stage, carried out for a period of nine months, six VFCW modules were installed (2.57m2 area in each module, with a plant density of 4seedlings/m2 of Typha domingensis), and submitted to different hydraulic loading rates (153.70mm/d, 230.74mm/d and 307.39mm/d) and different suspended solids loads (10gSS/m2.d, 15gSS/m2.d and 20gSS/m2.d), in order to identify the potential for nitrification and denitrification of the anaerobic pond, without the introduction of carbon, offered by the HFCW after VFCWs. The results obtained over all of the stages indicated: (i) the use of sand (d10 = 0.20mm and U = 4.9) as the filter material for the constructed wetlands; (ii) a potential removal of 80% for BOD5 and 94% for SS when using a HFCW after anaerobic, followed by facultative, ponds; (iii) nitrification of 73% of total ammoniacal nitrogen removed in the VFCW with 0.75m of filter material thickness (0.05m of gravel 1 on top, 0.60m of sand in the middle and 0.10m of gravel 1 at the botton), submitted to a hydraulic loading rate of 230.74mm/d and organic loadings of 41gCOD/m2.d, 15gSS/m2.d, 12.7gTKN/m2.d and 10.2g NH4-N /m2.d.; (iv) denitrification in the HFCW of 61% of the nitrate nitrogen in the effluent of the VFCWs, without the need to introduce organic carbon into the filter; (v) an adaptation of the macrophytes in all of the filters; and (vi) a good potential for nitrification in vertical filters through the computational simulation, when using kinetic and stoichiometric coefficients defined by the ASM 1 model (Active Sludge Model N°1). From the conclusions generated by this study, the use of constructed wetlands together with stabilization ponds in the treatment of domestic wastewaters can be recommended, particularly for places with a population density lower than 50 inhabitants/Km2, as is the case for eight of the thirteen municipalities of Greater Florianopolis, state of Santa Catarina, Brazil