Septic tank and vertical flow constructed wetland system with recirculation for organic matter and nitrogen removal from domestic wastewater

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESVertical flow constructed wetlands (VFCW) are attractive systems for decentralized wastewater treatment, enabling the organic matter removal and nitrification. However, the denitrification is limited in these systems. An alternative is to recirculate the treated effluent from VFCW to the primary treatment unit, such as a septic tank (ST). The aim of this study was to evaluate the performance of ST and VFCW system operated with recirculation, applied for organic matter and nitrogen removal from domestic wastewater. The study was developed in three strategic steps (steps 1, 2 and 3) carried out over two years of operation of ST (4.7 m3) and VFCW (24.5 m2) under an influent flow of 1.5 m3 d-1. The VFCW was filled out with gravel and during this research, it was planted with Heliconia and Canna, each one in a specific period of time. In step 1 it was evaluated the hydraulic and treatment performances of ST/VFCW system for recirculation ratios of 0%, 50% and 60%, with hydraulic loading rate (HLR) of 60, 85 and 110 mm d-1 in the VFCW, respectively. The results showed that recirculation reduced the hydraulic detention times on ST and the percolation times on VFCW; however, it was not detrimental to treatment since recirculation also allowed new chances of contact between wastewater and microorganisms. Besides, the results indicated that the plants played an important role in increasing wastewater percolation time, mainly at the beginning of its development. Regarding to treatment, the recirculation showed potential to treat domestic wastewater with high concentrations of organic matter and N. The system operation with 50% recirculation, HLR of 85 mm d-1, and fractionated into eight batches per day (11.3 mm batch-1), demonstrated the best efficiencies for the joint removal of COD (80%), TSS (85%) and TN (42%). In step 2 of the study, the influence of recirculation on the denitrifying populations present in the ST sludge and the structure of the nitrifying and denitrifying bacterial community present in the WCFV were evaluated by means of new generation sequencing. The results showed that recirculation provided an increase in the abundance of denitrifying bacteria in ST. In the VFCW, denitrifying bacteria were present in high diversity and abundance, however, ammonia oxidizing bacteria were present in low abundance, being identified only in the superficial layer (0-20 cm), and nitrite oxidizing bacteria were not identified. The presence of high concentrations of NO3--N in the effluent suggests the occurrence of nitrification in the bottom of the VFCW (50-75 cm) or the participation of other groups of microorganisms in the nitrification process (in addition to nitrifying autotrophic bacteria). Finally, in step 3, the VFCW oxygen transfer capacity was evaluated through assays with gaseous tracer (propane), for HLR ranging from 60 to 120 mm d-1. For the operating conditions tested, the oxygen transfer rates (OTR) obtained were sufficient to meet VFCW oxygen demand for organic matter degradation and nitrification, and a higher OTR was obtained for the lower HLR (60 mm d -1). In view of the above, the use of recirculation in a ST/VFCW system, for the conditions evaluated in this study, proved to be a promising alternative for the joint removal of organic matter and N, in the context of the decentralized treatment of domestic wastewater.Os wetlands construídos de fluxo vertical (WCFV) são atrativos para o tratamento descentralizado de esgotos, possibilitando a remoção de matéria orgânica carbonácea e a promoção da nitrificação. Contudo, a desnitrificação é limitada nesses sistemas. Uma alternativa para esta questão consiste na recirculação do efluente tratado nos WCFV para uma unidade de tratamento primário, tal como o tanque séptico (TS). O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho de um arranjo tecnológico composto por um TS seguido de um WCFV operado com recirculação, aplicado para remoção de matéria orgânica e nitrogênio (N) presentes em esgoto doméstico. O estudo foi desenvolvido em três etapas estratégicas (etapas 1, 2 e 3), realizadas ao longo de dois anos de operação de um TS (4,7 m3) e um WCFV (24,5 m2), sob uma vazão afluente de 1,5 m3 d-1. O WCFV apresentava brita como material filtrante e, durante a pesquisa, foi transplantado com Heliconia e Canna, cada uma em um período de tempo específico. Na etapa 1 foi avaliado o desempenho hidráulico e de tratamento do sistema TS/WCFV para razões de recirculação de 0%, 50% e 60%, com taxas de aplicação hidráulica (TAH) no WCFV de 60, 85 e 110 mm d-1, respectivamente. Os resultados mostraram que a recirculação causou redução dos tempos de detenção hidráulica no TS e de percolação no WCFV, no entanto, isso não prejudicou o tratamento, pois a recirculação também possibilitou novas oportunidades de contato entre esgoto e micro-organismos. As plantas tiveram papel importante na retenção da água residuária no sistema (aumento do tempo de percolação), sobretudo no início do seu desenvolvimento. Com relação ao tratamento, a recirculação demonstrou potencialidade para tratar efluentes domésticos contendo elevadas concentrações de matéria orgânica e N. A operação do sistema com 50% de recirculação e TAH de 85 mm d-1, dividida em oito pulsos por dia (11,3 mm pulso-1), demonstrou as melhores eficiências para remoção conjunta de DQO (80%), SST (85%) e NT (42%). Na etapa 2 do estudo, foi avaliada, por meio de sequenciamento de nova geração, a influência da recirculação sobre as populações desnitrificantes presentes no lodo do TS e, também, a estrutura da comunidade bacteriana nitrificante e desnitrificante presente no WCFV. Os resultados mostraram que a recirculação proporcionou um aumento da abundância de bactérias desnitrificantes no TS. No WCFV, as bactérias desnitrificantes estiveram presentes em elevada diversidade e abundância, no entanto, bactérias oxidantes de amônia apresentaram baixa abundância, sendo identificadas somente na camada superficial (0-20 cm), e bactérias oxidantes de nitrito não foram identificadas. A presença de elevadas concentrações de N-NO3- no efluente sugere a ocorrência de nitrificação no fundo do WCFV (50-75 cm) ou ainda, a participação de outros grupos de micro-organismos no processo de nitrificação (além das bactérias autotróficas nitrificantes). Por fim, na etapa 3, foi avaliada, por meio de ensaios com traçador gasoso (propano), a capacidade de transferência de oxigênio do WCFV para TAH variando de 60 a 120 mm d-1. Para as condições operacionais testadas, as taxas de transferência de oxigênio (TTO) obtidas foram suficientes para atender à demanda de oxigênio para degradação da matéria orgânica e nitrificação no WCFV, sendo que uma maior TTO foi obtida para a menor TAH (60 mm d-1). Diante do exposto, a utilização da recirculação em sistema de TS/WCFV, para as condições avaliadas neste estudo, demonstrou ser uma alternativa promissora para a remoção conjunta de matéria orgânica e N, no âmbito do tratamento descentralizado de esgoto doméstico