Otimização de wetland construído vertical empregado no tratamento de esgoto sanitário

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2019Os sistemas descentralizados de esgotamento sanitário apresentam-se como uma alternativa para se atingir a universalização dos serviços de saneamento, destacando-se o emprego da ecotecnologia dos wetlands construídos (WC). Dentre as modalidades de WC, destacam-se os WC verticais (WCV), contudo, estes apresentam limitações no desempenho de remoção de nitrogênio presente nos esgotos submetidos ao tratamento. A fim de potencializar o desempenho de tratamento promovido pelos WC, diferentes configurações e estratégias operacionais vêm sendo empregadas, destacando-se a utilização dos sistemas híbridos (WCV seguido de WC horizontal ? WCH), bem como a modificação ou intensificação das condições no interior do maciço filtrante dos WCV. Neste contexto, o objetivo desta pesquisa foi investigar em diferentes modalidades de WC as influências promovidas pela modificação devido a saturação de fundo e pela intensificação empregando aeração forçada, na otimização de área requerida e no aumento da eficiência do tratamento de esgoto sanitário. O estudo foi conduzido com base em duas etapas experimentais: (i) avaliação do desempenho de tratamento de esgoto sanitário em três diferentes WC: WCV, WCV com fundo saturado (WCV-FS) e sistema híbrido (WCV+WCH), operados sob mesmo carregamento orgânico e taxa hidráulica, ao longo de 3,5 anos de operação em uma estação experimental no Brasil, e (ii) avaliação do desempenho de tratamento de esgoto sanitário em um WCV aerado (WCV-A), ao longo de 1 ano em uma estação experimental na Alemanha. Os resultados obtidos ao longo das etapas evidenciaram: (i) o WCV-FS apresentou alto potencial de remoção de matéria orgânica (em média de 94% para DQO e 90% para DBO5), além da satisfatória remoção de nitrogênio total, uma vez que a porção insaturada foi capaz de propiciar um ambiente de oxidação de nitrogênio amoniacal a nitrogênio nitrato por meio da nitrificação, concomitantemente com uma parcial desnitrificação simultânea no mesmo reator promovida na zona de 40 cm de saturação de fundo, aumentando assim a eficiência de remoção deste poluente em relação ao modelo clássico de fluxo vertical (na proporção de 43% para NT no WCV-FS contra 21% para NT no WCV), sem necessidade de indução de energia. Além disso, o WCV-FS apresentou remoções de 100% para SST, 71% para N-NH4+ e 82% para P-PO43- e o WCV apresentou remoções de 93% para SST, 61% para N-NH4+ e 70% para P-PO43-; (ii) o WC híbrido apresentou remoções superiores ao WCV e WCV-FS, sendo de 96% para DQO, 91% para DBO, 100% para SST, 74% para NT, 95% para N-NH4+ e 96% para P-PO43-, em uma relação de área requerida por equivalente populacional de 11,75 m²/pessoa, enquanto que os WC verticais estudados requisitaram 3,75 m²/pessoa; (iii) O WCV-A apresentou remoções de 99,6% para DBO, 58% para NT e 99% para N-NH4+, em uma relação de área requerida de 1,55 m²/pessoa, com necessidade de aeração forçada continuadamente. Considerando-se que a instalação e operação de um WCV-FS diferese do WCV somente pela saturação de fundo promovida pela utilização de um controlador de nível, recomenda-se a utilização do WCV-FS, pois pode-se aumentar o desempenho de remoção de poluentes presentes nos esgotos sanitários, bem como otimizar o requerimento de área comparativamente ao requerido pelo WC híbrido, ou ainda, quando o custo de energia elétrica for um fator limitante para a implantação e operação de um WCV-A. Dessa forma, as potencialidades observadas no WCV-FS de acordo com as questões de dimensionamento e operação obtidas, conduzem a utilização deste arranjo tecnológico para a ampliação do acesso ao saneamento descentralizado.Abstract: Decentralized sewage systems are an alternative to achieve the universalization of sanitation services, in this context, the ecotechnology of constructed wetlands (CW) stands out. Among CW modalities, vertical flow CW (VF) attracts attention; however, they present limitations concerning the removal of nitrogen present in the wastewater subjected to the treatment. In order to enhance the treatment performance promoted by CW, different configurations and operational strategies have been employed, especially the use of hybrid systems (VF followed by horizontal flow CW - HF), as well as the modification or intensification of conditions inside the VF bed. In this context, this study aims to investigate, for different CW modalities, the influences promoted by the modification due to partially saturation and the intensification using forced aeration in the optimization of the required area and the increase of the wastewater treatment efficiency. The study was conducted based on two experimental steps: (i) evaluation wastewater treatment performance in three different CW: VF, partially saturated VF (SVF), and hybrid system (VF + HF), operated under the same organic loading and hydraulic rate, over 3.5 years of operation in an experimental station in Brazil, and (ii) evaluation of wastewater treatment performance in an aerated VF (AVF), over 1 year in an experimental station in Germany. Results obtained throughout the stages showed: (i) SVF presented a high potential for organic matter removal (on average 94% for COD and 90% for BOD5), as well as satisfactory total nitrogen removal, since the unsaturated portion provided an environment where occurred the oxidation of ammoniacal nitrogen to nitrate nitrogen through nitrification, concomitantly with a simultaneous partial denitrification in the same reactor, promoted in the 40 cm bottom saturation zone, thus increasing the removal efficiency of this pollutant when compared to the classic vertical flow model (in the proportion of 43% for TN in SVF versus 21% for TN in VF), without the need for power induction. In addition, SVF presented 100% removal for TSS, 71% for NH4+-N and 82% for PO43--P and VF presented 93% removal for TSS, 61% for NH4+-N and 70% for PO43--P; (ii) hybrid CW presented higher removals than VF and SVF, those being 96% for COD, 91% for BOD5, 100% for TSS, 74% for TN, 95% for NH4+-N and 96% for PO43--P, in a ratio of area requirement per person of 11.75 m²/person, while the vertical CW studied required 3.75 m²/person; (iii) AVF presented removals of 99.6% for BOD5, 58% for TN and 99% for NH4+-N, in ratio of area requirement per person of 1.55 m²/person, requiring continuously forced aeration. Considering that the installation and operation of a SVF differs from VF only with regards to the bottom saturation promoted by the use of a level controller, the use of SVF is recommended as it can increase the performance of removal of pollutants present in wastewater, as well as optimize the area requirement compared to hybrid CW, or, still, in cases where electricity cost is a limiting factor for the implementation and operation of a AVF. Thus, the potentialities observed in SVF related to dimensioning and operation points evaluated lead to the use of this technological arrangement to expand access to decentralized sanitation