II FILTRO PLANTADO COM MACRÓFITAS (WETLANDS) COMO TRATAMENTO DE ESGOTOS EM UNIDADES RESIDENCIAIS - CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO

Transcrição

1 II FILTRO PLANTADO COM MACRÓFITAS (WETLANDS) COMO TRATAMENTO DE ESGOTOS EM UNIDADES RESIDENCIAIS - CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO Pablo Heleno Sezerino(1) Engenheiro Sanitarista e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Doutorando em Engenharia Ambiental na UFSC. Bolsista do CNPq. Luiz Sérgio Philippi Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Doutor em Saneamento Ambiental pela Université de Montpellier I (França). Professor Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Endereço(1): Rua Santos Saraiva 739, apto 503. Estreito. Florianópolis / SC - CEP: Brasil - Tel: (48) phsezerino@hotmail.com RESUMO Desde o início da utilização de sistemas tipo wetlands no tratamento secundário de esgotos, busca-se determinar e conhecer parâmetros de dimensionamento que possam permitir a depuração dos esgotos em ambientes com interface solo planta. Na literatura internacional, encontram-se diversos modelos ou critérios empíricos para projetar filtros plantados com macrófitas (wetlands), sendo que grande parte destes modelos estão voltados à remoção da matéria carbonácea. O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade de um modelo de dimensionamento de filtros plantados com macrófitas, baseado na remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), destacando a performance de tratamento obtida junto a uma unidade de tratamento em escala real proposta para uma residência unifamiliar. Com o intuito de promover o tratamento dos esgotos gerados em uma unidade residencial, localizada no bairro de Sambaqui em Florianópolis / SC, foi dimensionado, construído e operado, a partir de setembro de 2001, um sistema de tratamento compreendido de tratamento primário - caixa de gordura e tanque séptico (volume útil de 2.65m3), tratamento complementar - filtro plantado com macrófitas escoamento subsuperficial de fluxo horizontal (área superficial de 10m2), seguido de disposição final na rede pluvial. Com o monitoramento realizado no filtro plantado com macrófitas em estudo,

2 o qual foi dimensionado a partir das equações 3 e 9 sendo limitado a qualidade do efluente final em termos de DBO5 em 48 mg/l, pode-se destacar: a ausência de problemas hidráulicos ou de emissão de odor ao longo dos primeiros 20 meses de operação; a adaptação estética da macrófita utilizada com a realidade local; a qualidade do efluente final em termos absolutos de DBO5 não superou o limite estipulado em projeto; uma performance de remoção variando de satisfatório a excelente, representado pelos parâmetros DQO (76%), DBO5 (87%), ST (54%), SST (94%), Ssed (99%), NH4-N (38%) e PO4-P (18%). A unidade de tratamento em estudo foi devidamente aprovada pelo órgão municipal responsável pelo saneamento a Vigilância Sanitária de Florianópolis / SC. PALAVRAS-CHAVE: Wetlands, Filtro plantado com macrófitas, Dimensionamento, Esgoto doméstico INTRODUÇÃO Os filtros plantados com macrófitas, também conhecidos como zona de raízes e/ou leitos cultivados, estão inseridos dentro do grupo dos constructed wetlands. Estes podem ser construídos empregando-se direções de fluxo hidráulico seguindo na horizontal e/ou na vertical, sendo que estas duas concepções de fluxo diferem-se quanto aos objetivos propostos para o tratamento. Esta alternativa tecnológica, que deve ser precedida de tratamento primário, não é contemplada em normas técnicas, dificultando assim a uniformização de parâmetros e critérios de dimensionamento. Percebe-se, portanto, adoção de inúmeros critérios e modelos para o dimensionamento das unidades filtros plantados com macrófitas. Na literatura internacional, encontram-se diversos modelos ou critérios empíricos para projetar filtros plantados com macrófitas (wetlands), sendo que grande parte destes modelos estão voltados à remoção da matéria carbonácea. Dentre as mais pertinentes, Hammer (1989), Conley et al. (1991) e Crites (1994) consideram os wetlands construídos como reatores biológicos de biofilme fixo, prevendo para estes uma remoção da matéria orgânica segundo a cinética de primeira ordem, aplicável mais especificamente em unidades de fluxo horizontal. Mais recentemente, nota-se que unidades de fluxo vertical vêm sendo empregadas com a finalidade de promover nitrificação e, portanto, além da cinética de primeira ordem, leva-se em conta o balanço de oxigênio necessário à manutenção das condições aeróbias no interior da massa filtrante. Por se tratar de um processo de tratamento baseado na interação material filtrante - macrófitas, deve-se conhecer as propriedades físicas (granulometria, diâmetro efetivo, coeficiente de uniformidade, condutividade hidráulica...) e químicas (teores de Fe, Ca, Mg, capacidade de troca catiônica - CTC) deste material de recheio, a fim de se buscar conhecer a dinâmica da colmatação e a vida útil do sistema, bem como utilizar macrófitas adaptadas ao clima da região.

3 O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade de um modelo de dimensionamento de filtros plantados com macrófitas, baseado na remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), destacando a performance de tratamento obtida junto a uma unidade de tratamento em escala real proposta para uma residência unifamiliar. CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO Desde o início da utilização de sistemas tipo wetlands no tratamento secundário de esgotos, a partir da década de setenta mais precisamente em 1974 em Othfresen na Alemanha (Kickuth, 1977 apud IWA Specialist Group on Use of Macrophytes, 2000), busca-se determinar e conhecer parâmetros de dimensionamento que possam permitir a depuração dos esgotos em ambientes com interface solo planta. Modelos oriundos da cinética de primeira ordem aplicável aos reatores tipo pistão (equação 1), são os mais amplamente utilizados para prever a área superficial necessária para a promoção do tratamento secundário dos esgotos domésticos. Estes modelos, contudo, vêm sendo utilizados em unidades de constructed wetlands com escoamento sub-superficial de fluxo horizontal (Conley et al., 1991). equação (1) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg/l) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg/l) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) t = tempo de retenção hidráulico (d) O tempo de retenção hidráulico na equação 1 é função da porosidade do maciço filtrante, do volume do filtro e da vazão que se deseja tratar (equação 2). equação (2) t = tempo de retenção hidráulico (d) n = porosidade do material filtrante (m3 vazios / m3 material) V = volume do filtro (m3)

4 Q = vazão a tratar (m3/d) A constante KT destacada na equação 1, pode ser obtida através de equações empíricas que relacionam a constante de reação a 20oC (K20) com a equação modificada de van t Hoff- Arrhenius (Natural Systems, 1990). Contudo na literatura especializada, diferentes equações empíricas são sugeridas para a determinação de KT, conforme segue: - destacada por Natural System (1990): equação (3) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) K20 = constante de reação a 20oC (d-1) T = temperatura crítica (ºC) - destacada por Reed et al. (1988): equação (4) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) K20 = constante de reação a 20oC (d-1) T = temperatura crítica (ºC) - destacada por Tchobanoglous & Culp (1980) equação (5) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) K20 = constante de reação a 20oC (d-1) T = temperatura crítica (ºC)

5 q = constante admensional (variando de 1,05 a 1,08) Nota-se a partir das equações para a determinação de KT relacionadas acima, que este valor possui uma amplitude considerável, interferindo portanto na determinação da área requerida do filtro plantado com macrófitas. Aliado a isto, os valores de K20, determinados em laboratório, também apresentam variações consideráveis. Grandezas para K20 variando de 0,21 a 2,92d-1 foram reportadas (Conley et al., 1991). Contudo, Reed et al. (1988) destacam em seus estudos uma faixa de aplicação para KT variando de 0,8 a 1,1d-1. Conley et al. (1991) argumentam que mais de dez sistemas tipo filtro plantado com macrófitas (root zone) empregados na Europa, utilizaram valores para K20 em média de 0,70d-1 ± 0,23, e calcularam o KT através da equação 3. Tem-se, então, a possibilidade de estimar a área superficial requerida para o filtro plantado com macrófitas, trabalhando-se com as equações 1, 2 e 3, conforme segue: equação (1) modificada aplicando o logaritmo natural: equação (6) substituindo a equação 2 na equação 6: equação (7) como o volume (V) é o produto da área (A) pela profundidade (p), tem-se: equação (8) multiplicando a equação 8 por (-1) e isolando A, obtêm-se: equação (9) A = área superficial requerida (m2) Q = vazão afluente (m3/d) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) KT = obtida pela equação 3 (d-1) n = porosidade do material filtrante (m3 vazios / m3 material)

6 p = profundidade média do filtro (m) Outros modelos são empregados no dimensionamento dos filtros plantados com macrófitas de escoamento sub-superficial de fluxo horizontal. Particularmente, o modelo desenvolvido por Cooper et al. (1996) vem sendo amplamente utilizado na Europa, mais especificamente no Reino Unido, para a determinação da área requerida para efetuar o tratamento secundário dos esgotos domésticos em filtros plantados com macrófitas, denominados pelos pesquisadores como reed beds. A equação desenvolvida pelos pesquisadores (equação 10), também, deriva da cinética de primeira ordem, sendo porém relacionável a uma constante de reação em termos de DBO (KDBO) multiplicado pela profundidade e a porosidade do material filtrante, que via de regra é o cascalho e/ou pedra britada. equação (10) Ah = área superficial requerida (m2) Q = vazão média afluente (m3/d) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) KDBO = usualmente empregado valores de 0,10 para tratamento secundário e 0,31 para terciário (m/d) A aplicação do modelo representado na equação 10, gera uma demanda de área do filtro plantado em torno de 5m2/pessoa, sendo a concentração de DBO afluente variando de 150 a 300 mg/l (Cooper et al., 1996). Esta relação m2/pessoa, também, é muito empregada no dimensionamento expedito e, em muitos casos, como critério de dimensionamento, notadamente, unidades residenciais unifamiliares. Faixas de aplicação encontram-se variando de 1 a 5 m2/pessoa quando os filtros plantados com macrófitas são empregados como tratamento secundário precedidos, na maioria dos casos, de decanto-digestores. Vymazal (1990) indicam valores na ordem de 1,6 m2/pessoa; Philippi et al. (1999) trabalharam com valores bem mais elevados, da ordem de 6,8 m2/pessoa, porém trabalhando com efluente de características agro-industriais; Sezerino & Philippi (2000) aplicando uma unidade para tratar efluente de uma residência padrão (5 pessoas), reduziram a área requerida para valores de 0,8 m2/pessoa sem que a performance de tratamento fosse afetada significativamente. Geometria dos filtros plantados com macrófitas A partir da obtenção da área superficial requerida, entendendo que o dimensionamento foi idealizado para uma geometria de um reator tipo pistão, os filtros plantados com macrófitas são construídos obedecendo, então, uma relação comprimento:largura de, no mínimo, 2:1. Contudo, a literatura destaca que a obtenção dos comprimentos e larguras devem dar-se a

7 partir da lei de Darcy, assumindo um escoamento laminar no filtro plantado, conforme a equação 11 (Sundaravadivel & Vigneswaran, 2001). equação (11) Q = vazão afluente (m3/d) AC = área da seção transversal ao fluxo no interior do filtro plantado (m2) KS = condutividade hidráulica saturada (m/d) S = declividade de fundo (m/m) Como a área da seção transversal é o produto da largura pela profundidade, e isolando esta área a partir da equação 11, obtêm-se a largura do filtro conforme segue: equação (12) onde L = largura do filtro plantado com macrófitas (m) p = profundidade média do filtro plantado com macrófitas (m) Q = vazão afluente (m3/d) AC = área da seção transversal ao fluxo no interior do filtro plantado (m2) KS = condutividade hidráulica saturada (m/d) S = gradiente hidráulico (m/m) Logo, de posse da largura (equação 12) e da área superficial requerida (equação 9), obtêmse o comprimento do filtro plantado com macrófitas. PARÂMETROS DE PROJETO Os parâmetros físicos e dinâmicos que são relevantes no projeto de sistema wetlands, mais precisamente nos filtros plantados com macrófitas, são: vazão de efluente a ser tratado;

8 regime de fluxo; tempo de retenção no reator wetland construído - volume do reator; constante de reação - constante de degradação biológica; balanço de oxigênio notadamente quando emprega-se filtros de fluxo vertical; porosidade do material filtrante; área superficial - relação comprimento x largura; profundidade; material filtrante - diâmetro efetivo, coeficiente de uniformidade, condutividade hidráulica. Alguns destes parâmetros são relativos ao tipo de material adotado, e outros são calculados. Dentre os parâmetros adotados, a literatura aponta (Arias et al., 2001; IWA Specialist Group on Use of Macrophytes, 2000; Platzer, 1999; Kadlec & Knight, 1996; Cooper et al., 1996; Conley et al., 1991; Bucksteeg, 1990): porosidade (n) = 0,42 - para solos coesivos 0,35 0,40 - para areias 0,25 - para cascalho; diâmetro efetivo (d10) = 0,20 a 0,5mm - para areias e cascalho; coeficiente de uniformidade (U) = 5 unidades ( recomendado 3,5 unidades); condutividade hidráulica (KS) = 10-4 m.s-1; constante de reação - constante de degradação biológica (K) = fator dependente da temperatura. É tomado como base o valor da constante para temperatura de 20o C - K20 = 0,70 d-1 ± 0,23. profundidade (p) = entre 0,30 a 0,80m para o material filtrante. II FILTRO PLANTADO COM MACRÓFITAS (WETLANDS) COMO TRATAMENTO DE ESGOTOS EM UNIDADES RESIDENCIAIS - CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO Pablo Heleno Sezerino(1)

9 Engenheiro Sanitarista e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Doutorando em Engenharia Ambiental na UFSC. Bolsista do CNPq. Luiz Sérgio Philippi Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Doutor em Saneamento Ambiental pela Université de Montpellier I (França). Professor Titular do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Endereço(1): Rua Santos Saraiva 739, apto 503. Estreito. Florianópolis / SC - CEP: Brasil - Tel: (48) phsezerino@hotmail.com RESUMO Desde o início da utilização de sistemas tipo wetlands no tratamento secundário de esgotos, busca-se determinar e conhecer parâmetros de dimensionamento que possam permitir a depuração dos esgotos em ambientes com interface solo planta. Na literatura internacional, encontram-se diversos modelos ou critérios empíricos para projetar filtros plantados com macrófitas (wetlands), sendo que grande parte destes modelos estão voltados à remoção da matéria carbonácea. O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade de um modelo de dimensionamento de filtros plantados com macrófitas, baseado na remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), destacando a performance de tratamento obtida junto a uma unidade de tratamento em escala real proposta para uma residência unifamiliar. Com o intuito de promover o tratamento dos esgotos gerados em uma unidade residencial, localizada no bairro de Sambaqui em Florianópolis / SC, foi dimensionado, construído e operado, a partir de setembro de 2001, um sistema de tratamento compreendido de tratamento primário - caixa de gordura e tanque séptico (volume útil de 2.65m3), tratamento complementar - filtro plantado com macrófitas escoamento subsuperficial de fluxo horizontal (área superficial de 10m2), seguido de disposição final na rede pluvial. Com o monitoramento realizado no filtro plantado com macrófitas em estudo, o qual foi dimensionado a partir das equações 3 e 9 sendo limitado a qualidade do efluente final em termos de DBO5 em 48 mg/l, pode-se destacar: a ausência de problemas hidráulicos ou de emissão de odor ao longo dos primeiros 20 meses de operação; a adaptação estética da macrófita utilizada com a realidade local; a qualidade do efluente final em termos absolutos de DBO5 não superou o limite estipulado em projeto; uma performance de remoção variando de satisfatório a excelente, representado pelos parâmetros DQO (76%), DBO5 (87%), ST (54%), SST (94%), Ssed (99%), NH4-N (38%)

10 e PO4-P (18%). A unidade de tratamento em estudo foi devidamente aprovada pelo órgão municipal responsável pelo saneamento a Vigilância Sanitária de Florianópolis / SC. PALAVRAS-CHAVE: Wetlands, Filtro plantado com macrófitas, Dimensionamento, Esgoto doméstico INTRODUÇÃO Os filtros plantados com macrófitas, também conhecidos como zona de raízes e/ou leitos cultivados, estão inseridos dentro do grupo dos constructed wetlands. Estes podem ser construídos empregando-se direções de fluxo hidráulico seguindo na horizontal e/ou na vertical, sendo que estas duas concepções de fluxo diferem-se quanto aos objetivos propostos para o tratamento. Esta alternativa tecnológica, que deve ser precedida de tratamento primário, não é contemplada em normas técnicas, dificultando assim a uniformização de parâmetros e critérios de dimensionamento. Percebe-se, portanto, adoção de inúmeros critérios e modelos para o dimensionamento das unidades filtros plantados com macrófitas. Na literatura internacional, encontram-se diversos modelos ou critérios empíricos para projetar filtros plantados com macrófitas (wetlands), sendo que grande parte destes modelos estão voltados à remoção da matéria carbonácea. Dentre as mais pertinentes, Hammer (1989), Conley et al. (1991) e Crites (1994) consideram os wetlands construídos como reatores biológicos de biofilme fixo, prevendo para estes uma remoção da matéria orgânica segundo a cinética de primeira ordem, aplicável mais especificamente em unidades de fluxo horizontal. Mais recentemente, nota-se que unidades de fluxo vertical vêm sendo empregadas com a finalidade de promover nitrificação e, portanto, além da cinética de primeira ordem, leva-se em conta o balanço de oxigênio necessário à manutenção das condições aeróbias no interior da massa filtrante. Por se tratar de um processo de tratamento baseado na interação material filtrante - macrófitas, deve-se conhecer as propriedades físicas (granulometria, diâmetro efetivo, coeficiente de uniformidade, condutividade hidráulica...) e químicas (teores de Fe, Ca, Mg, capacidade de troca catiônica - CTC) deste material de recheio, a fim de se buscar conhecer a dinâmica da colmatação e a vida útil do sistema, bem como utilizar macrófitas adaptadas ao clima da região. O objetivo deste trabalho é avaliar a aplicabilidade de um modelo de dimensionamento de filtros plantados com macrófitas, baseado na remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), destacando a performance de tratamento obtida junto a uma unidade de tratamento em escala real proposta para uma residência unifamiliar.

11 CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO Desde o início da utilização de sistemas tipo wetlands no tratamento secundário de esgotos, a partir da década de setenta mais precisamente em 1974 em Othfresen na Alemanha (Kickuth, 1977 apud IWA Specialist Group on Use of Macrophytes, 2000), busca-se determinar e conhecer parâmetros de dimensionamento que possam permitir a depuração dos esgotos em ambientes com interface solo planta. Modelos oriundos da cinética de primeira ordem aplicável aos reatores tipo pistão (equação 1), são os mais amplamente utilizados para prever a área superficial necessária para a promoção do tratamento secundário dos esgotos domésticos. Estes modelos, contudo, vêm sendo utilizados em unidades de constructed wetlands com escoamento sub-superficial de fluxo horizontal (Conley et al., 1991). equação (1) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg/l) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg/l) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) t = tempo de retenção hidráulico (d) O tempo de retenção hidráulico na equação 1 é função da porosidade do maciço filtrante, do volume do filtro e da vazão que se deseja tratar (equação 2). equação (2) t = tempo de retenção hidráulico (d) n = porosidade do material filtrante (m3 vazios / m3 material) V = volume do filtro (m3) Q = vazão a tratar (m3/d) A constante KT destacada na equação 1, pode ser obtida através de equações empíricas que relacionam a constante de reação a 20oC (K20) com a equação modificada de van t Hoff- Arrhenius (Natural Systems, 1990). Contudo na literatura especializada, diferentes equações empíricas são sugeridas para a determinação de KT, conforme segue:

12 - destacada por Natural System (1990): equação (3) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) K20 = constante de reação a 20oC (d-1) T = temperatura crítica (ºC) - destacada por Reed et al. (1988): equação (4) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) K20 = constante de reação a 20oC (d-1) T = temperatura crítica (ºC) - destacada por Tchobanoglous & Culp (1980) equação (5) KT = constante de reação da cinética de primeira ordem dependente da temperatura T (d- 1) K20 = constante de reação a 20oC (d-1) T = temperatura crítica (ºC) q = constante admensional (variando de 1,05 a 1,08) Nota-se a partir das equações para a determinação de KT relacionadas acima, que este valor possui uma amplitude considerável, interferindo portanto na determinação da área requerida do filtro plantado com macrófitas. Aliado a isto, os valores de K20, determinados em laboratório, também apresentam variações consideráveis. Grandezas para K20 variando de 0,21 a 2,92d-1 foram reportadas (Conley et al., 1991). Contudo, Reed et al. (1988)

13 destacam em seus estudos uma faixa de aplicação para KT variando de 0,8 a 1,1d-1. Conley et al. (1991) argumentam que mais de dez sistemas tipo filtro plantado com macrófitas (root zone) empregados na Europa, utilizaram valores para K20 em média de 0,70d-1 ± 0,23, e calcularam o KT através da equação 3. Tem-se, então, a possibilidade de estimar a área superficial requerida para o filtro plantado com macrófitas, trabalhando-se com as equações 1, 2 e 3, conforme segue: equação (1) modificada aplicando o logaritmo natural: equação (6) substituindo a equação 2 na equação 6: equação (7) como o volume (V) é o produto da área (A) pela profundidade (p), tem-se: equação (8) multiplicando a equação 8 por (-1) e isolando A, obtêm-se: equação (9) A = área superficial requerida (m2) Q = vazão afluente (m3/d) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) KT = obtida pela equação 3 (d-1) n = porosidade do material filtrante (m3 vazios / m3 material) p = profundidade média do filtro (m) Outros modelos são empregados no dimensionamento dos filtros plantados com macrófitas de escoamento sub-superficial de fluxo horizontal. Particularmente, o modelo desenvolvido por Cooper et al. (1996) vem sendo amplamente utilizado na Europa, mais especificamente no Reino Unido, para a determinação da área requerida para efetuar o tratamento secundário dos esgotos domésticos em filtros plantados com macrófitas, denominados pelos

14 pesquisadores como reed beds. A equação desenvolvida pelos pesquisadores (equação 10), também, deriva da cinética de primeira ordem, sendo porém relacionável a uma constante de reação em termos de DBO (KDBO) multiplicado pela profundidade e a porosidade do material filtrante, que via de regra é o cascalho e/ou pedra britada. equação (10) Ah = área superficial requerida (m2) Q = vazão média afluente (m3/d) Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg/l = g/m3) KDBO = usualmente empregado valores de 0,10 para tratamento secundário e 0,31 para terciário (m/d) A aplicação do modelo representado na equação 10, gera uma demanda de área do filtro plantado em torno de 5m2/pessoa, sendo a concentração de DBO afluente variando de 150 a 300 mg/l (Cooper et al., 1996). Esta relação m2/pessoa, também, é muito empregada no dimensionamento expedito e, em muitos casos, como critério de dimensionamento, notadamente, unidades residenciais unifamiliares. Faixas de aplicação encontram-se variando de 1 a 5 m2/pessoa quando os filtros plantados com macrófitas são empregados como tratamento secundário precedidos, na maioria dos casos, de decanto-digestores. Vymazal (1990) indicam valores na ordem de 1,6 m2/pessoa; Philippi et al. (1999) trabalharam com valores bem mais elevados, da ordem de 6,8 m2/pessoa, porém trabalhando com efluente de características agro-industriais; Sezerino & Philippi (2000) aplicando uma unidade para tratar efluente de uma residência padrão (5 pessoas), reduziram a área requerida para valores de 0,8 m2/pessoa sem que a performance de tratamento fosse afetada significativamente. Geometria dos filtros plantados com macrófitas A partir da obtenção da área superficial requerida, entendendo que o dimensionamento foi idealizado para uma geometria de um reator tipo pistão, os filtros plantados com macrófitas são construídos obedecendo, então, uma relação comprimento:largura de, no mínimo, 2:1. Contudo, a literatura destaca que a obtenção dos comprimentos e larguras devem dar-se a partir da lei de Darcy, assumindo um escoamento laminar no filtro plantado, conforme a equação 11 (Sundaravadivel & Vigneswaran, 2001). equação (11)

15 Q = vazão afluente (m3/d) AC = área da seção transversal ao fluxo no interior do filtro plantado (m2) KS = condutividade hidráulica saturada (m/d) S = declividade de fundo (m/m) Como a área da seção transversal é o produto da largura pela profundidade, e isolando esta área a partir da equação 11, obtêm-se a largura do filtro conforme segue: equação (12) onde L = largura do filtro plantado com macrófitas (m) p = profundidade média do filtro plantado com macrófitas (m) Q = vazão afluente (m3/d) AC = área da seção transversal ao fluxo no interior do filtro plantado (m2) KS = condutividade hidráulica saturada (m/d) S = gradiente hidráulico (m/m) Logo, de posse da largura (equação 12) e da área superficial requerida (equação 9), obtêmse o comprimento do filtro plantado com macrófitas. PARÂMETROS DE PROJETO Os parâmetros físicos e dinâmicos que são relevantes no projeto de sistema wetlands, mais precisamente nos filtros plantados com macrófitas, são: vazão de efluente a ser tratado; regime de fluxo; tempo de retenção no reator wetland construído - volume do reator; constante de reação - constante de degradação biológica; balanço de oxigênio notadamente quando emprega-se filtros de fluxo vertical;

16 porosidade do material filtrante; área superficial - relação comprimento x largura; profundidade; material filtrante - diâmetro efetivo, coeficiente de uniformidade, condutividade hidráulica. Alguns destes parâmetros são relativos ao tipo de material adotado, e outros são calculados. Dentre os parâmetros adotados, a literatura aponta (Arias et al., 2001; IWA Specialist Group on Use of Macrophytes, 2000; Platzer, 1999; Kadlec & Knight, 1996; Cooper et al., 1996; Conley et al., 1991; Bucksteeg, 1990): porosidade (n) = 0,42 - para solos coesivos 0,35 0,40 - para areias 0,25 - para cascalho; diâmetro efetivo (d10) = 0,20 a 0,5mm - para areias e cascalho; coeficiente de uniformidade (U) = 5 unidades ( recomendado 3,5 unidades); condutividade hidráulica (KS) = 10-4 m.s-1; constante de reação - constante de degradação biológica (K) = fator dependente da temperatura. É tomado como base o valor da constante para temperatura de 20o C - K20 = 0,70 d-1 ± 0,23. profundidade (p) = entre 0,30 a 0,80m para o material filtrante. Material filtrante O material filtrante empregado em sistemas de tratamento tipo wetlands possui papel fundamental no processo de depuração da matéria orgânica, na transformação das frações nitrogenadas, na adsorção de fósforo e, principalmente, na manutenção das condições hidráulicas. As questões hidráulicas (permeabilidade e fluxo) são expressas através das propriedades das partículas sólidas do material filtrante. Partículas com formas poliédricas (arredondadas), tais quais aquelas que predominam nas areias e pedregulhos em geral, são universalmente aceitas como ideiais para a composição de sistemas de filtração. Dentre as propriedades das partículas do material filtrante, a composição granulométrica e os índices que desta podem sem obtidos diâmetro efetivo, coeficiente de uniformidade e condutividade hidráulica teórica, definem parâmetros relevantes de projeto.

17 As tecnologias empregadas no tratamento de efluentes líquidos, domésticos ou industriais, baseadas no princípio de filtração e crescimento de biofilme aderido a um meio suporte inerte, tais quais as valas de filtração, filtros de areia, biofiltros e sistemas tipo wetlands, entre outros, definem como propriedades ideais para as partículas as seguintes dimensões: d10 superior ou igual a 0,20mm; coeficiente de uniformidade menor ou igual a 5 unidades; coeficiente de permeabilidade menor ou igual a 10-4m.s-1 (Arias et al., 2001; Platzer, 1999; Cooper et al., 1996; Conley et al., 1991; Bucksteeg, 1990). Particularmente, para sistemas de vala de filtração e filtros de areias, que são prescritos na norma NBR 13969/97 (ABNT, 1997), o d10 deve estar entre 0,25mm e 1,20mm, e o coeficiente de uniformidade ser menor que 4 unidades. A maioria dos wetlands construídos de escoamento subsuperficial projetados na Europa, notadamente no Reino Unido, conforme mencionado, têm empregado o cascalho e/ou areia grossa. Recomendam a utilização de cascalho com tamanho médio dos grãos variando de 8 a 16mm em sistemas de fluxo horizontal. Recomenda-se, também, que este material seja lavado antes de ser utilizado como substrado de filtração, a fim de remover as partículas finas que podem com o tempo, reduzir a porosidade do material. Em sistemas de fluxo vertical sugere-se a utilização de uma camada superior de cascalho, seguido de uma camada de areia lavada com diâmetro efetivo (d10) variando de 0,25 a 0,5mm e com um coeficiente de uniformidade de aproximadamente 3,5 (IWA Specialist Group on Use of Macrophytes, 2000). MATERIAIS E MÉTODOS Com o intuito de promover o tratamento dos esgotos gerados em uma unidade residencial, localizada no bairro de Sambaqui em Florianópolis / SC, foi dimensionado, construído e operado, a partir de setembro de 2001, um sistema de tratamento compreendido de tratamento primário - caixa de gordura e tanque séptico, tratamento complementar - filtro plantado com macrófitas (escoamento sub-superficial de fluxo horizontal), seguido de desinfecção por pastilhas de cloro e disposição final na rede pluvial (figura 1). O dimensionamento do tanque séptico seguiu recomendações da norma técnica NBR 7229/93 (ABNT, 1993), gerando um volume útil de 2,65 m3 (com altura útil de 1,20m) para uma vazão de 960 L/dia. No cálculo deste volume útil, adotou-se os seguintes parâmetros de projeto: tanque séptico prismático retangular de única câmara; ocupação residencial = 06 pessoas; contribuição de despejos = 160 l/pessoa.dia;

18 taxa de acumulação de lodo = 105 dias (intervalo de limpeza de 2 anos e temperatura entre 10 e 20o C); contribuição de lodo fresco = 1 l/pessoa.dia; Para o dimensionamento do filtro plantado com macrófitas, optou-se por aplicar as equações 3 e 9, sendo utilizado os seguintes parâmetros de entrada: vazão afluente de 960 L/d (6 pessoas produzindo 160 L/pessoa dia de esgoto) concentração da DBO afluente = 240 mg/l (prevendo remoção de 20% obtida no tratamento primário); eficiência estimada de remoção de DBO = 80% (produzindo um efluente final de 48 mg/l); K20 de 1,06 d-1 (recomendado em literatura valores variando de 0,8 a 1,1 d-1 para temperaturas de 20o C Reed et al., 1988); porosidade do material filtrante = 0,40 (areia média); profundidade média do filtro = 0,50m; declividade de fundo = 1%. Baseado, portanto, nas equações 3 e 9 e utilizando os parâmetros de projeto acima descritos, obteve-se uma área superficial para o filtro em estudo equivalente a 9,6m2. Para facilitar a construção, a área adotada foi de 10m2, cujas dimensões são: largura 2,5m; comprimento: 4,0m. Figura 1: Esquema representativo da unidade de tratamento em estudo O material filtrante empregado, areia média, foi obtido junto de casas de material de construção, sendo contudo submetida a ensaio granulométrico. A tabela 1 destaca as características físicas do material filtrante empregado. Tabela 1: Caracterização física do material filtrante empregado no filtro com macrófitas em estudo AREIA MÉDIA OBTIDA EM CASA DE CONSTRUÇÃO d10 (mm) d60

19 (mm) Uniformidade (d60/d10) Condutividade Hidráulica (m/h) % finos % areia média 0,17 1,06 6,23 1,04 21,95 54,73 O monitoramento da unidade de tratamento, compreendido entre novembro/2002 a maio/2003, deu-se através de coletas e análises físico-químicas na saída do tanque séptico (afluente ao filtro plantado com macrófitas) e na saída do filtro plantado (efluente final). Os parâmetros avaliados foram: demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), nitrogênio amoniacal (NH4-N), fósforo-ortofosfato (PO4-P), sólidos totais (ST), sólidos suspensos totais (SST) e sólidos sedimentáveis (Ssed). Todos os parâmetros avaliados seguiram orientações prescritas no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA, AWWA, WEF, 1995). As coletas foram pontuais, sendo o material coletado levado imediatamente ao laboratório para a realização das análises. RESULTADOS E DISCUSSÃO

20 Inicialmente, pode-se considerar um resultado relevante a adaptação de toda a unidade de tratamento e seus elementos atuantes (material filtrante, macrófitas...) perante o saneamento descentralizado/unifamiliar. Ao longo destes primeiros 20 meses de operação, nenhum problema hidráulico ou de emissão de odor foi relatado pelos proprietários da residência, bem como, pôde-se perceber uma satisfatória integração do filtro plantado com macrófitas à estética local (figura 2). Em termos técnicos, o filtro plantado com macrófitas mostrou uma eficiência acima daquela prevista no dimensionamento, cujo parâmetro crítico era a DBO5 e sua remoção. Como destacado anteriormente, com a aplicação das equações 3 e 9 e utilizando dados cinéticos e físicos oriundos da literatura especializada, limitou-se o efluente final a uma concentração de 48 mg/l em termos de DBO5, empregando-se para tanto uma área superficial de 10m2. Com o monitoramento efetuado, verificou-se que em média o efluente final do filtro plantado com macrófitas não superou valores absolutos acima de 42 mg/l de DBO5 (figura 3). Figura 2: Unidade filtro plantado com macrófitas. No detalhe a macrófita empregada, conhecida popularmente como Papiros (Papirus sp) (Foto: Sezerino, P.H.) Figura 3: Comportamento da DBO no filtro plantado com macrófitas ao longo do período monitorado. A figura 3 permite, num primeiro momento, considerar que os dados de entrada utilizados para empregar o modelo descrito na equação 9 poderiam ser otimizados e com isto, reduzir a área superficial requerida, logo, reduzir custos de implantação. Contudo, há de se levar em conta que um maior período de monitoramento faz-se necessário para tal afirmação. Em relação aos demais parâmetros avaliados, o filtro plantado com macrófitas mostrou um comportamento variando do satisfatório a excelente (figura 4). Parâmetros como SST e Ssed apresentaram remoções médias de 94% e 99%, respectivamente. A DQO, DBO e ST, apresentaram uma remoção média de 76%, 87% e 54%, respectivamente. Quanto aos macro-nutrientes NH4-N e PO4-P, as remoções médias foram de 38% e 18%, respectivamente.

21 Figura 4: Performance de remoção obtida no filtro plantado com macrófitas ao longo do período de monitoramento. Quando analisado os resultados descritos na literatura, para sistemas aplicáveis a esgoto doméstico, percebe-se um comportamento variado na eficácia do tratamento, devido principalmente, as variantes de projeto/dimensionamento empregada nos wetlands. A tabela 2 descreve as performances de remoção obtidas sob diferentes unidades wetlands de escoamento sub-superficial de fluxo horizontal (filtro plantado com macrófitas) aplicáveis ao tratamento complementar de unidades de tratamento anaeróbio de esgotos domésticos. A partir dos dados destacados na tabela 2 é possível inferir sobre a inexistência de critério único de dimensionamento, que de uma certa forma torna-se vantajoso quando se trabalha sob a perspectiva do saneamento descentralizado, pois nestes casos, inúmeras são as variantes que particularizam cada situação em estudo, ou seja, é diretamente dependente das condições locais como o tipo de solo, o espaço físico disponível, a disponibilidade de materiais passíveis de serem utilizados como recheio de filtração, bem como da disponibilidade de macrófitas adaptadas ao clima da região. Por outro lado, mesmo com as diferenças no dimensionamento, a performance de remoção dos parâmetros físico-químicos utilizados como indicadores do tratamento, notadamente DQO e DBO5, mostram-se dentro de uma faixa moderada de amplitude, variando de 74 a 92% para a DQO e de 74 a 98% para DBO5 (tabela 2). Pode-se inferir, também, com os dados da tabela 2, que as remoções médias tanto para DQO quanto para DBO5 equiparamse, mesmo para períodos de estudo de 6 meses como àqueles de 10 anos. Isto de uma certa forma vem reforçar a validade dos resultados obtidos com o presente estudo, cujo monitoramento deu-se sob um período de 6 meses, porém após um tempo de funcionamento de 14 meses (média de remoção ao longo do período de monitoramento de 76% para DQO e 87% para DBO5). Os demais parâmetros de controle da eficácia de tratamento, são diretamente ligados ou ao tipo de material filtrante caso da remoção das frações de sólidos (ST, SST e Ssed) e PO4- P, ou ao tipo de fluxo empregado vertical ou horizontal que propicia a nitrificação e/ou desnitrificação da amônia/nitrato presente. Pelo fato do material filtrante utilizado na unidade de tratamento em questão não ter sofrido nenhuma alteração na sua composição química e nas suas propriedades físicas, ação esta idealizada para minimizar custos, pode-se inferir que as remoções de fósforo ocorreram devido a diferentes mecanismos como a precipitação e sedimentação, a incorporação nos microrganismos presentes, bem como na incorporação a biomassa das macrófitas (Arias et al., 2001). Contudo, a literatura especializada aponta como um dos maiores mecanismos de retenção de fósforo nos sistemas wetlands a adsorção deste composto ao material filtrante, porém estes materiais filtrantes devem ser enriquecidos com minerais a base de Ca3+, Fe3+ ou Al3+ (Rustige & Platzer, 2000).

22 Tabela 2: Quadro comparativo entre diferentes sistemas wetlands aplicados ao tratamento de esgotos domésticos. AUTOR (ES) PERÍODO DE ESTUDO VARIANTES DE DIMENSIONAMENTO REMOÇÕES (%) DQO DBO5 N P SÓLIDOS Souza et al., meses Área = 10m2 2 sistemas em paralelo com fluxo contínuo e com períodos de descanço 74

23 81 como NH4-N como PT como STV Sezerino & Philippi, meses Área = 4m2 (0,8 m2/pessoa) como NH4-N

24 71 ST 99 - Ssd Kern & Ilder, meses Área = 64m2 (6,5 m2/pessoa) taxa aplic = 15mm/d como NT 88 como PT Cooper et al., anos Área = 195m2 (5,4 m2/pessoa) emprego da equação 10 94

25 74 41 como NH4-N 87 como SST Harbel & Perfel, 1990 apud Cooper et al., anos 3 m2/pessoa 5 m2/pessoa como NT como

26 PT Schierup & Brix, 1990 apud Cooper et al., anos 10 m2/pessoa como NT 27 como PT 86 como SST Já para a efetivação das transformações das frações nitrogenadas, uma seqüência de tratamento proposta é a aplicação de wetlands de escoamento sub-superficial com fluxo vertical seguido de uma unidade de fluxo horizontal (filtro plantado com macrófitas). Neste estudo, pelo fato de ter sido empregado somente a unidade de fluxo horizontal, infere-se que a remoção da amônia deu-se por mecanismos como a incorporação aos microrganismos presentes, bem como na incorporação a biomassa das macrófitas. A elevada performance na remoção de sólidos, notadamente nas frações de SST e Ssed cujos valores médios absolutos não superaram 306 mg/l de ST e <0,1 ml/l de Ssed, reforçam idéia da ação do mecanismo de filtração, sendo que até o presente momento a unidade de tratamento não apresentou indícios de colmatação, mesmo utilizando-se um material filtrante com características físicas fora das faixas recomendadas na literatura (tabela 1).

27 CONCLUSÕES A aplicação dos modelos de dimensionamento para filtros plantados com macrófitas requer do projetista e/ou pesquisador uma sensibilidade quanto aos fenômenos e mecanismos físicos e bioquímicos que estão por trás dos valores recomendados, tais como Ks, KT, KDBO, entre outros. As equações de dimensionamento apresentados neste trabalho dão subsídios iniciais para a determinação da área superficial requerida aos filtros plantados com macrófitas (wetlands construídos de escoamento sub-superficial de fluxo horizontal) na efetivação do tratamento secundário nos esgotos domésticos. Ressalta-se, contudo, que unidades de tratamento primário, tais como os tanques sépticos, são peças chave na manutenção da qualidade do tratamento. Com o monitoramento realizado no filtro plantado com macrófitas em estudo, o qual foi dimensionado a partir das equações 3 e 9 sendo limitado a qualidade do efluente final em termos de DBO5 em 48 mg/l, pode-se destacar: ausência de problemas hidráulicos ou de emissão de odor ao longo dos primeiros 20 meses de operação; adaptação estética da macrófita utilizada com o paisagismo local; a qualidade do efluente final em termos absolutos de DBO5 não superou o limite estipulado em projeto; performance de remoção variando de satisfatório a excelente, representado pelos parâmetros DQO (76%), DBO5 (87%), ST (54%), SST (94%), Ssed (99%), NH4-N (38%) e PO4-P (18%). As ações que continuam a serem empregadas na unidade de tratamento em estudo, visam identificar e acompanhar a dinâmica dos mecanismos de tratamento que ocorrem, bem como buscam identificar e antever problemas operacionais tais como a possibilidade de colmatação do leito filtrante. Ressalta-se, também, que mesmo os filtros plantados com macrófitas não estarem destacados nas normas técnicas aplicáveis ao tratamento descentralizado e/ou unifamiliar de esgotos domésticos (como por exemplo a NBR ABNT, 1997), estes mostram-se como alternativa viável para a realização do tratamento secundário. A unidade de tratamento em estudo foi devidamente aprovada pelo órgão municipal responsável pelo saneamento a Vigilância Sanitária de Florianópolis / SC.. AGRADECIMENTOS

28 Os autores gostariam de agradecer o apoio obtido junto ao projeto Suínos/SC (parceria entre UFSC-EMBRAPA-EPAGRI, financiado pela FINEP-FUNCITEC-CNPq) sob a coordenação por parte da UFSC do Prof. Dr. Paulo Belli Filho; agradecer, também, o Dr. Christoph Platzer pelas informações pertinentes; ao aluno de graduação em Engenharia Sanitária-Ambiental da UFSC Bruno Kossatz pelo suporte técnico ao longo das análises de laboratório, bem como os proprietários da residência utilizada no estudo, o Sr. Odair e a Sra. Ingrácia. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1993). Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos. NBR Rio de Janeiro: ABNT. 15p. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1997). Tanques sépticos Unidades de tratamento complementar e disposição final dos efluentes líquidos Projeto, construção e operação. NBR Rio de Janeiro: ABNT. 60p. APHA, AWWA, WEF (1995). Standard Methods for Examination of Water and Wastewater. 15ed. Washington, D.C.: APHA, AWWA, WEF p. ARIAS, C.A., DEL BUBBA, M., BRIX, H. (2001). Phosphorus removal by sands for use as media in subsurface flow constructed reed beds. Wat. Res., v.35, n.5, pp BRIX, H. (1997). Macrophytes play a role in constructed treatment wetlands? Wat. Sci. Tech., v.35, n.5, pp BUCKESTEEG, K. (1990). Treatment of domestic sewage in emergent helophyte beds German experiences. ATV-guidelines A262. CONLEY, L.M., DICK, R.I., LIOW, L.W. (1991). An assessment of the root zone method of wastewater treatment. Research Journal of the WPCF, v.63, n.3, pp COOPER, P.F., JOB, G.D., GREEN, M.B., SHUTES, R.B.E. (1996). Reed Beds and Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. Swindon: WRc plc. 184 p. CRITES, R.W. (1994). Design criteria and practice for constructed wetlands. Wat. Sci. Tech., v.29, n.4, pp HAMMER, D.A. (ed) (1989). Construced wetlands for wastewater treatment: municipal, industrial and agricultural. Chelsea, Michigan.: Lewis Publishers, Inc. 831 p.

29 IWA Specialist Group on Use of Macrophytes in Water Pollution (2000). Constructed Wetlands for Pollution Control: Processes, Performance, Design and Operation. Scientific and Technical Report No. 8. London, England: IWA Publishing. 156 p. KADLEC, R.H., KNIGHT, R.L. (1996). Treatment Wetlands. Boca Raton, Florida: Lewis Publishers. 893 p. KERN, J., IDLER, C. (1999). Treatment of domestic and agricultural wastewater by reed bed systems. Ecological Engineering, v. 12, pp NATURAL SYSTEM FOR WASTEWATER TREATMENT. (1990). Manual of Practice FD-16. Alexandria, Va.: Water pollution Control Federation. PHILIPPI, L.S., COSTA, R.H.R., SEZERINO, P.H. (1999). Domestic effluent treatment through integrated system of septic tank and root zone. Wat.Sci.Tech., v. 40, n. 3, pp PLATZER, C. (1999). Design recomendation for subsurface flow constructed wetlands for nitrification and denitrification. Wat.Sci. Tech., v. 40, n. 3, pp REED, S.C. et al. (1988) Natural systems for waste management and treatment. McGraw- Hill, New York, NY. RUSTIGE, H., PLATZER, C. (2000). Nutrient removal in subsurface flow constructed wetlands for application in sensitive regions. In: 7th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control. Proceedings. Lake Buena Vista, FL: University of Florida / IWA. pp SEZERINO, P.H., PHILIPPI, L.S. (2000). Utilização de um sistema experimental por meio de "wetland" construído no tratamento de esgotos domésticos pós tanque séptico. In: IX Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. CD Room - Anais. Porto Seguro, BA: ABES. pp SOUZA, J.T.de, van HAANDEL, A., GUIMARÃES, A.V.A. (2001). Comparação entre sistemas wetlands tratando efluente anaeróbio. In: 21o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. CD Room Anais. João Pessoa, PB: ABES. 6 p. SUNDARAVADIVEL, M., VIGNESWARWAN, S. (2001). Constructed wetlands for wastewater treatment. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, v. 31, n. 4, pp TCHOBANOGLOUS, G., CULP, G. (1998). Aquaculture systems for wastewater treatment: an engineering assessment. U.S.EPA, EPA 430/ : Office of Water Program Operations, Washington, D.C. 13p.

30 VYMAZAL, J. (1990). Use of reed bed systems for the treatment of concentrated waste from agriculture. In: International Conference on the use of Constructed Wetlands in Water Pollution Control. Proceedings. Cambridge, UK: IAWPRC. pp