Mini-Curso: Wetlands Construídos

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRO-OESTE SETOR DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E AMBIENTAIS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL Mini-Curso: Wetlands Construídos Victória Regina Celso Monteiro Mestre em Engenharia Ambiental UFSC Engenheira Ambiental - UNICENTRO Irati/PR

2 Wetland? Zona de raízes? Filtro plantado? Sistemas alagados? Terras úmidas? Alagados construídos? Jardins filtrantes? Filtro plantado com macrófitas? Leitos cultivados?

3 Origem da palavra?

4 Como surgiu a tecnologia?

5 Ecossistema Aquático - Terrestre Equilíbrio Autodepuração

6 CAPACIDADE SUPORTE: Capacidade ou habilidade dos ambientes em acomodar, assimilar e incorporar um conjunto de atividades antrópicas sem que suas funções naturais sejam fundamentalmente alteradas (FILET,1955). o número máximo de pessoas que podem ser suportadas pelo ambiente que permitirá uma ótima utilização dos recursos disponíveis. O ponto de capacidade de suporte não é o limite de saturação

7 ECOSSISTEMAS URBANOS MAIOR POTENCIAL PARA ATINGIR CAPACIDADE DE SUPORTE - Perda do ecossistema natural; - Aumenta o número de indivíduos por km 2, aumenta o volume de poluentes (geração de esgotos, resíduos sólidos e emissões atmosféricas); Poluição Excede capacidade suporte do ecossistema

8 Efluentes Domésticos e Sanitários 8

9 Efluentes Domésticos e Sanitários Sanitário Doméstico Industrial Águas Negras Águas Cinzas Água Infiltração e Contribuição Pluvial 9

10 Saneamento Centralizado Remoção efluentes das casas evolução ao tratamento convencional várias etapas Custos Coleta e transporte de efluentes Falta de condições para construção e manutenção Demandam energia; Requerem equipamentos muitas vezes sofisticados; Geram lodos com elevado potencial de poluição; Existem sistemas que não suportam grandes chuvas; Sistemas atuais não estão disponíveis para atender à todos/ não aplicáveis á todas as situações. 10

11 Rede Coletora PNAD IBGE : Zona Urbana: 63% Zona Rural: 15,5% 55,5% dos que possuem é na forma de fossa rudimentar Estações de tratamento atuais não atendem á todos SOLUÇÕES SANITÁRIAS INDIVIDUAIS Sistemas Descentralizados e/ou On site 11

12 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site O documento denominado Response to Congress on Use of Onsite and Decentralized Wastewater Treatment Systems produzido pela USEPA (1997) define os sistemas como se segue: Sistema On site: é um sistema natural ou mecânico, usado para coletar, tratar, descartar ou recuperar águas residuárias de moradias individuais. Um sistema convencional inclui um tanque séptico e um campo de drenagem. Outras alternativas incluem disposição no solo, filtros de areia e pequenas unidades 12 aeróbias.

13 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site Sistema Cluster (aglomerado): é um sistema de coleta e tratamento para dois ou mais moradores, não para uma comunidade inteira. As águas residuárias de várias casas podem ser pré-tratadas antes de serem transportadas de maneira econômica até a unidade de tratamento que é relativamente pequena se comparada com sistemas centralizados. 13

14 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site Sistema Descentralizado: é um sistema de tratamento de águas residuárias on site ou cluster (aglomerado) usado para tratar e dispor volumes relativamente pequenos de esgoto, geralmente individuais ou para grupos de moradores e empresas com localização próxima. On site e cluster também são comumente combinados; 14

15 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site 15

16 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site 16

17 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site Um sistema descentralizado tem por objetivo e definição, tratar os efluentes gerados próximos ao local de geração, evitando o transporte de esgotos e trazendo o saneamento ao alcance de todos. Baixos Custos Comunidades de Baixa Densidade Populacional Compactos Adaptação a Diferentes Condições Impacto Estético Condição Flexível Reúso Lodo Reaproveitado Recuperação dos Nutrientes 17

18 Saneamento Descentralizado e Sistemas On site Desenvolvimento Sustentável Vários autores vem discutindo a questão da centralização x descentralização; Cada sistema tem seus méritos, e são adequados à situações diferentes; O saneamento descentralizado é a alternativa para locais onde o centralizado não é aplicável.

19 Tanque Séptico É há muito tempo o sistema mais utilizado de tratamento on site, ou integrante do sistema descentralizado. Não purifica os esgotos, somente reduz sua carga orgânica, assim os sólidos não retidos podem ser arrastados com o efluente, assim como o produto solúvel da decomposição do lodo; Efluente pode ser escuro e com odor característico gás sulfídrico e ainda apresentar grande quantidade de bactérias (JORDÃO E PESSÔA, 1995); Decanto-digestor - antigo Moderada eficiência Tratamento complementar 19

20 Wetlands Construídos Processos Físicos Químicos Biológicos Aperfeiçoamento dos sistemas naturais controlado 20

21 Wetlands Construídos Breve Histórico Wetlands naturais têm sido usados para disposição de águas residuárias desde a antiguidade; Um sistema em Massachusetts começou a receber águas residuárias em 1912, em Wisconsin as descargas acontecem desde 1923, Ontario 1919 e Flórida desde 1939 (KADLEC; WALLACE, 2009); Porém, os primeiros experimentos objetivando o tratamento de águas residuárias com wetlands plantados foram realizados por volta de 1950 por Seidel no Instituto Max Plack na Alemanha (SEIDEL, 1955 apud VYMAZAL, 2005); No hemisfério ocidental iniciou-se por volta dos anos 70, porém a implementação desta tecnologia foi acelerada no mundo a partir 21 de 1985 (KADLEC; WALLACE, 2009).

22 Wetlands Construídos Breve Histórico No Brasil, os primeiros estudos foram realizados através das observações feitas nas planícies alagadas do Amazonas; Tentativas de usar a capacidade desses sistemas de mudar a qualidade da água visando purificação, foram realizadas por Salati et.al (1982 apud Salati Jr; SaIati; Salati, 1999) que construiu um lago artificial próximo a um rio poluído em 22 Piracicaba, São Paulo;

23 Wetlands Construídos Breve Histórico Primariamente, wetlands construídos eram aplicados apenas no tratamento de esgoto doméstico ou municipal, mas atualmente eles têm sido usados para tratar todos os tipos de águas residuárias, incluindo industriais e da agricultura, águas pluviais de escoamento e lixiviados de aterro sanitário (VYMAZAL; KRÖFELOVÁ, 2008). 23

24 Combinação decanto-digestores e wetlands 24

25 Combinação decanto-digestores e wetlands 25

26 Tipos de Efluentes Utilizados Fonte: Sezerino et al (2015). 26

27 Variações Wetlands Construídos Escoamento Superficial Escoamento Subsuperficial Plantas Emergentes Horizontal Vertical Plantas Submersas Descendente Plantas Flutuantes Ascendente Plantas com Folhas Ciclos de inundação Sistema Híbrido 27 Adaptado de Vymazal & Kropfelová, (2008).

28 Direções de Fluxo Escoamento Superficial Lâmina livre Mais se aproxima dos wetlands naturais, pois o efluente escorre livremente, gerando uma superfície sempre alagada; Consiste de um reservatório escavado no solo, servindo o solo de suporte para o crescimento das macrófitas. Pode haver também macrófitas flutuantes ou suspensas na massa líquida, além de algas, cuja presença aproxima o sistema das lagoas facultativas (PHILIPPI; SEZERINO, 2004). Este tipo de fluxo vem sendo menos utilizado devido a geração de odores e a grande proliferação de mosquitos, que podem vir a causar doenças na população do entorno próximo. 28

29 Fonte: 29

30 Direções de Fluxo Escoamento Subsuperficial Filtro Plantado com Macrófitas O leito é composto por um material de recheio por onde o efluente percola e onde são plantadas diretamente as macrófitas; Podem ser classificados em fluxo horizontal e fluxo vertical. 30

31 Direções de Fluxo Horizontal Efluente percola horizontalmente; Entrada e saída com pedras; Inclinação de fundo;. 31

32 Wetland de Fluxo Horizontal 1) Afluente 2) Macrófitas 5) Tubulação de Alimentação 6) Material Filtrante 9) Controlador de Nível 4) Zona de Entrada 3) Impermeabilização 7) Zona de Saída 8) Tubulação de Coleta

33 Escavação, recheio e plantas; Direções de Fluxo Vertical Alimentação: intermitente, e realizada na parte superior do filtro (fluxo descendente); Provoca uma maior oxigenação, favorecendo a degradação aeróbia e a nitrificação; Pode ainda ocorrer outra variação de fluxo, no qual a alimentação ocorre pelo fundo e o efluente é coletado no topo (fluxo ascendente) (PHILIPPI; SEZERINO, 2004). 33

34 Wetland de Fluxo Vertical 1) Afluente 2) Macrófitas 4) Tubulação Alimentação 6) Tubulação Coleta 9) Controlador de Nível 3) Material Filtrante 7) Impermeabilização 8) Zona de Saída

35 Plantas Utilizadas Uma das características que definem wetlands E assim pode ser considerada uma propriedade inerente a estes. As plantas que crescem nos wetlands são usualmente chamadas de macrófitas, e estas incluem plantas aquáticas vasculares, musgos aquáticos e algumas algas maiores (BRIX, 1997). 35

36 Plantas Utilizadas Macrófitas Macrófitas aquáticas vivem em ambientes úmidos ou até saturados com água; Possui parte de sua estrutura em contato com o ar e parte em contato com a água 36 Fonte:Sezerino et al. (2015).

37 Plantas Utilizadas Função no Wetland Vegetação nos wetlands distribui e diminui a velocidade do fluxo; Reduz os riscos de erosão; Melhora a condutividade hidráulica do solo através da criação de canais pelas raízes; Previne a colmatação; Fornecem superfície para a formação de biofilme; Absorvem nutrientes; Evapotranspiração; Liberam oxigênio, entre outras funções. Brix (1997). 37

38 Macrófitas Utilizadas Phragmites australis Junco ou caniço Não muito utilizada no Brasil 38

39 Macrófitas Utilizadas Thypha ssp (Taboa) Muito utilizada no Brasil 39

40 Macrófitas Utilizadas Papiro (Cyperus papirus) 40

41 Macrófitas Utilizadas Junco (Zizaniopsis bonariensis) 41

42 Macrófitas Utilizadas Plantas Ornamentais Aspecto estético Proveito paisagístico Fonte: Zanella (2008) 42

43 Macrófitas Utilizadas Dar preferência à espécies nativas; Adaptadas á região; Potencial de crescimento; Causem bom aspecto; Resistentes; Gerem biomassa adequada; Fonte: Zanella (2008) 43

44 Plantas mais utilizadas em wetlands fluxo horizontal Fonte: Sezerino et al (2015). 44

45 Microrganismos Papel fundamental depuração águas residuárias Vivem nas raízes das plantas e em volta delas; Aderidos ao meio suporte; Podem coexistir bactérias aeróbias, anaeróbias e facultativas, já que alguns sistemas possuem estas zonas distintas; Além das nitrificantes e desnitrificantes; 45

46 Microrganismos Representação esquemática do biofilme aderido Fonte: SEZERINO, (2006). 46

47 Material Filtrante Sustenta a vegetação Fornece área microrganismos Mecanismos físico-químicos de tratamento Diferentes condutividades hidráulicas Colmatação 47

48 Tratamento primário Material Filtrante Remoção sólidos grosseiros Boa condutividade Boas condições fluxo Boa adsorção Testes com vários materiais 48

49 Material Filtrante Curva granulométrica é importante 49 Adaptado de Hoffmann et al., (2011).

50 Material Filtrante Bom gerenciamento evita ou adia colmatação Evitando a troca/lavagem do material de recheio Fonte: Sezerino et al (2015). 50

51 Fonte: Sezerino et al (2014). 51

52 Água Cinza 52

53 Água Cinza 53

54 Dimensionamento Algumas maneiras de dimensionar wetlands 1.Modelo oriundo da cinética de primeira ordem aplicada a reatores pistão; 2. Relação área per capita; 3. Carregamento orgânico superficial e taxa hidráulica. Fonte:Sezerino et al. (2015). 54

55 Dimensionamento Wetlands Horizontais de Fluxo Subsuperficial Considera-se reações biológicas de primeira ordem: taxa de reação diretamente proporcional ao reagente. Philippi e Sezerino (2004), apresentam as equações como se seguem: A determinação do KT da Equação 1 pode ser realizada através de equações empíricas diferentes, por isso valores diversos são encontrados na literatura (0,8 a 1,1 55 d -1 ).

56 Dimensionamento Wetlands Horizontais de Fluxo Subsuperficial O tempo de retenção hidráulica na Equação 1 é função da porosidade do material filtrante, do volume do filtro e da vazão que se deseja tratar (Equação 2) 56

57 Dimensionamento Wetlands Horizontais de Fluxo Subsuperficial A fim de se estimar a área requerida, rearranjam-se as equações obtendo-se: 57

58 Dimensionamento Wetlands Horizontais de Fluxo Subsuperficial ÁREA PER CAPITA Mais utilizada para unidades unifamiliares; Para esgoto doméstico e/ou sanitário: 1 a 5 m².pessoa -1 (wetlands empregados como tratamento secundário); Para outros tipos de água residuária, valores variam muito; 58

59 Dimensionamento Wetlands Horizontais de Fluxo Subsuperficial CARREGAMENTO ORGÂNICO SUPERFICIAL E TAXA HIDRÁULICA Valores na literatura nacional: DBO: variam de 2,08 gdbo.m -2.d- 1 a 66 gdbo.m -2.d -1 DQO: 5 gdqo.m -2.d -1 a 909,2 gdqo.m -2.d -1 SS: 1,9 gss.m -2.d -1 a 41 gss.m -2.d -1 Tx hidráulica: 19 L.m -2.d -1 a 720 L.m -2.d Fonte:Sezerino et al. (2015).

60 Proposta de Dimensionamento Wetlands Horizontais de Fluxo Subsuperficial Q= 2m³/d DBO afluente= 3,0 g/m³ DBO efluente = 0,2 g/m³ Porosidade (n) = 0,4 m³vazios/m³material K (constante da reação) = 1/d Profundidade (p) = 0,5 m Qual a área do wetland? 60

61 Dimensionamento Wetland Vertical Platzer (1999) descreveu equações de balanço de oxigênio para o dimensionamento; As equações levam em consideração a quantidade de oxigênio que é requerida para degradação da matéria orgânica e para a nitrificação, e o oxigênio que é recuperado no processo de desnitrificação; Desta forma, tem-se a oferta de oxigênio e a demanda, sendo que o resultado final deve ser positivo; 61

62 Dimensionamento Wetland Vertical - Recomendações Clima frio Clima quente Hidráulica (mm/d) DQO (g/m².d) DBO (g/m².d) SS (g/m².d) Área (m²/pessoa) PLATZER (1999); SEZERINO (2006); PLATZER et al., (2007); HOFFMAN et al., (2011). 62

63 Dimensionamento Wetland Vertical - Recomendações Considerando: Uma família com 5 pessoas; Cada pessoa: 130L/d (ABNT, 1993); Característica do afluente (pós decanto-digestor): 300 mgdbo/l ou 300 gdbo/m³ 138 mgss/l ou 138 gss/m³ 1 pessoa: 130 L/dia 5 pessoas: 650 L/dia 0,65 m³/dia 300 gdbo/m³ x 0,65 m³/d = 195 gdbo/d 138 g SS/m².d x 0,65 m³/d = 90 gss/d 63

64 Dimensionamento Wetland Vertical - Recomendações Carga orgânica (g DBO/m².dia) Recomenda-se: g DBO/m².dia ADOTA-SE 35 g DBO/m².dia Carga de Sólidos (g SS/m².dia) Recomenda-se: 5 15 g SS/m².dia ADOTA-SE 15 g SS/m².dia 64

65 Dimensionamento Wetland Vertical - Recomendações Taxa hidráulica (L/dia) Recomenda-se: L/dia ADOTA-SE 230 L/dia Relação área/pessoa (m²/pessoa) Recomenda-se: 1 3 m²/pessoa ADOTA-SE 1,2 m²/pessoa 65

66 Mecanismos de Remoção - Constituintes do Sistema Constituintes do Esgotos Sólidos Suspensos Compostos Orgânicos Solúveis Nitrogênio Fósforo Metais Patogênicos Mecanismos de Remoção -Sedimentação -Filtração -Degradação microbiana aeróbia -Degradação microbiana anaeróbia -Amonificação seguida de nitrificação -Desnitrificação -Assimilação pelas plantas -Adsorção -Volatilização de amônia -Absorção e Adsorção -Assimilação pelas plantas -Adsorção e troca catiônica -Complexação -Precipitação -Assimilação pelas plantas -Oxidação/redução microbiana -Sedimentação -Filtração -Morte natural -Predação -Radiação UV 66

67 67

68 Processo sustentável; O reúso envolve uma maior ou menor tecnologia, dependendo da destinação da água, e como ela foi utilizada anteriormente; Usos menos nobres não exigem alta qualidade; Reúso de Efluentes Relação com conceitos do saneamento ecológico, uso sustentável da água, valorização da água tratada e dos subprodutos; Segregação de correntes visando o máximo reúso e até soluções sem veiculação hídrica.

69 Disposição Final de Efluentes Corpos Hídricos aproveitamento assimilação dos rios, despejos regulamentados; Galerias Pluviais AGESAN não permite, NBR /1997 indica condições para lançamento; Disposição no Solo Antigo, rudimentar, porém é capaz de promover depuração polimento. 69

70 Fontes: APLICAÇÃO DE WETLANDS CONSTRUÍDOS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS Palestra UCDB Campo Grande. Prof. Pablo H. Sezerino. GESAD, UFSC, 2014; SEZERINO, P. H., BENTO, A. P., DECEZARO, S. T., MAGRI, M. E., & PHILIPPI, L. S. (2015). Experiências brasileiras com wetlands construídos aplicados ao tratamento de águas residuárias: parâmetros de projeto para sistemas horizontais. Engenharia Sanitária E Ambiental, 20 (1), ; ZANELLA, L. (2008). Plantas Ornamentais no Pós-tratamento de Efluentes Sanitários: Wetlands construídas Utilizando Brita e Bambu como suporte. Universidade Estadual de Campinas. PHILIPPI, L. S. SANEAMENTO DESCENTRALIZADO : Instrumento para o Desenvolvimento SustentávelIX SILUBESA - Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Anais...Porto Seguro: Associação Brasileira de Engenharia Ambiental - ABES, 2000 PHILIPPI, L. S.; SEZERINO, P. H. Aplicação de sistemas tipo wetlands no tratamento de águas residuárias: utilização de filtros plantados com macrófitas. 1 a. ed. Florianópolis/SC: [s.n.]. p. 144 MONTEIRO, V. R. C. (2014). Wetlands Construídos Empregados no Tratamento Descentralizado de Águas Cinzas Residencial e de Escritório. Universidade Federal de Santa Catarina. HOFFMANN, H. et al. Technology review of constructed wetlands - Subsurface flow constructed wetlands for greywater and domestic wastewater treatment. Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH Sustainable sanitation - ecosan program, IBGE. Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios - PNAD. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, USEPA - UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Response to Congress on Use of Onsite and Decentralized Wastewater Treatment Systems.Washington, DC, VYMAZAL, J.; KRÖFELOVÁ, L. Wastewater Treatment in Constructed Wetlands with Horizontal Sub- Surface Flow. Czech Republic: Editora Springer, p. 566