Avaliação do desempenho e da rotina operacional em wetlands construídos verticais empregados no tratamento de esgoto sanitário

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2019Wetlands construídos (WC) são uma ecotecnologia amplamente utilizada no mundo para o tratamento avançado de esgoto sanitário. Normalmente associada às outras tecnologias, os WC possuem diversas categorias e arranjos. Dentre as categorias, destacam-se os wetlands construídos verticais descendentes (WCVD), por possuírem grande capacidade em oxidar a matéria orgânica carbonácea e a amônia, porém limitada remoção de nitrogênio total por não propiciar ambiente favorável à desnitrificação do nitrato formado. Modificações nos WCVD por meio da indução de energia externa ou por adaptações hidráulicas sem indução de energia, tais como a manutenção de uma saturação da camada de fundo do leito filtrante com o próprio esgoto submetido ao tratamento, denominados de wetlands construídos verticais de fundo saturado (WCV-FS), vêm sendo propostas com intuito de promover a remoção do nitrogênio. Diante deste contexto, essa pesquisa teve como objetivo a avaliação da rotina operacional e do desempenho de um WCV-FS e um WCVD aplicados ao tratamento avançado de esgoto sanitário. Ambos os módulos WC foram implantados a jusante de um tanque séptico (3 m³ de volume útil) estando em operação a 3 anos e 6 meses, sob uma carga orgânica aplicada de 36,23 gDQO/m².d e uma taxa hidráulica de 83 mm/d, em um regime hidráulico com aplicação intermitente (de 3 a 4 pulsos por dia) e alternância de 3,5 dias de alimentação e 3,5 dias de repouso. Tanto o WCV-FS como o WCVD possuem 7,5 m² de área superficial e foram preenchidos com areia (d10 de 0,29 mm e d60/d10 de 4) como camada principal do maciço filtrante e plantados com a macrófita Typha domingensis. Foi avaliada a remoção de carga da matéria orgânica carbonácea, de coliformes, de fósforo e as transformações do nitrogênio promovidas em ambos wetlands, analisando-se também a variação do redox do WCV-FS ao longo do tempo. Foi descrita a rotina operacional dos WC, identificando falhas, suas recorrências e soluções empregadas. Além disso, foi avaliada a hidrodinâmica por meio da obtenção do tempo de detenção real do WCV-FS utilizando testes com traçador e avaliação de hidrogramas, bem como pelo tempo de percolação do WCVD pela avaliação de hidrogramas. As eficiências de remoção em termos de carga (g/m².d) obtidas na forma de mediana para o WCV-FS foram de 33,85 para DQO, 4,5 para NH4+-N, 2,8 para NT e 2,28 para PO43--P. Em termos de Coliformes Totais e E. Coli a remoção neste módulo foi de 1,75 log10 e houve variação máxima do potencial redox em -200 mV, entre início e fim do período de drenagem. Já para o WCVD a eficiência de remoção em termos de carga (g/m².dia ) obtidas na forma de mediana foi de 31,34 para DQO, 4,04 para NH4+-N, 1,85 para NT e 2 para PO43--P. Em termos de Coliformes Totais e E. Coli a remoção neste módulo foi de 1 log10. Na análise da qualidade do efluente tratado durante o período de drenagem tanto o WCVD quanto o WCV-FS estiveram de acordo com a legislação em termos de DQO. Já para NH4+-N o WCVD esteve de acordo em só um teste e o WCV-FS em dois testes. Em termos de PO43--P ambos estiveram de acordo somente em termos de remoção de carga, mas não em termos de concentração. Ao longo da série histórica o efluente do WCV-FS esteve dentro dos parâmetros legais em 100%, 40%, 25% do tempo para DBO5, NH4+-N e PO43--P, respectivamente, enquanto que o efluente do WCVD esteve dentro dos parâmetros legais em 92%, 18%, 2% do tempo para DBO5, NH4+-N e PO43--P, respectivamente, evidenciando o incremento na qualidade do efluente tratado promovido pela modificação relacionada à saturação de fundo do maciço filtrante. Tanto o WCVD quanto o WCV-FS apresentaram problemas operacionais recorrentes vinculados aos sistemas de alimentação por meio de motobombas, bem como problemas oriundos de adaptações necessárias por ser em escala experimental.Abstract: Constructed wetlands (CW) are an ecotechnology widely used around the world for advanced treatment of urban wastewater. Usually associated to other technologies, CW have many configurations. Among them stand out vertical flow constructed wetlands (VFCW), because their great capacity to oxidize carbonaceous organic matter and ammonia, but limited to remove total nitrogen to don?t provide conditions to allow the denitrification process. VFCW modifications with extern energy input or hydraulic modifications without energy input, like saturation of the bottom layer of the bed media with it?s own treated wastewater, called partially saturated vertical flow constructed wetland (PS-VFCW), have been proposed with the purpose to remove nitrogen. In this context, this research aimed the operational routine assessment and performance evaluation of a PS-VFCW and a VFCW for advanced treatment of urban wastewater. Both systems operated after a septic tank (3 m³ of volume), which have being operated 3 years and 6 months, under a median applied organic load of 36,23 gCOD/m².d and a hydraulic rate of 83 mm/d, in an intermittent hydraulic regime (between 3 and 4 pulses per day) and a feeding resting regime of 3,5 days each. Such the PS-VFCW and the VFCW has 7,5 m² of superficial area and are filled with coarse sand (d10 of 0,29 mm and d60/d10 of 4) as the main layer of the bed media and planted with Typha domingensis. Were evaluated the carbonaceous organic matter, coliforms and phosphorus removals, and nitrogen transformations performed by both systems, also being analyzed redox variations among the time in the PS-VFCW. Was evaluated the operational routine of the CW, identifying failures, their recurrence and employed solutions, and was evaluated the hydrodynamic through the real retention time and hydrographs of the PS-VFCW, as well as the percolation time of the VFCW through hydrographs evaluation. Load removal efficiencies (g/m².d) in terms of median for the PS-VFCW were 33,85 for COD, 4,5 for NH4+-N, 2,8 for NT and 2,28 for PO43--P. In terms of Total Coliforms and E. Coli were 1,75 log10 in this system and maximum ORP variation was -200 mV between the beginning and the end of the drainage time. For VFCW the load removal efficiencies (g/m².d) in terms of median were 31,34 for COD, 4,04 for NH4+-N, 1,85 for NT and 2 for PO43--P. In terms of Total Coliforms and E. Coli were 1 log10 in this system. In the analysis of the quality of the treated wastewater during the drainage period, either VFCW or the PS-VFCW have complied with the laws in terms of COD. In terms of NH4+-N VFCW complied in just one test and PS-VFCW in two tests. In terms of PO43--P both systems just complied with the laws in terms of load removal, but not in terms of concentration. Throughout the time series analysis of the PS-VFCW effluent, it has complied with the laws in 100%, 40% and 25% of the time in terms of BOD5, NH4+-N and PO43--P, respectively, while VFCW effluent complied with the laws in 92%, 18%, 2% of the time in terms of BOD5, NH4+-N and PO43--P, respectively, highlighting the increased performance promoted by the partial saturation of the bed media. Both VFCW and PS-VFCW presented recurrent operational problems associated to the pumps used to fed the systems, as well as problems originated from adaptations of the systems for being in experimental scale