MONITORAMENTO DE WETLANDS CONSTRUÍDOS DE ESCOAMENTO HORIZONTAL E VERTICAL EMPREGADOS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS CINZAS

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1 MONITORAMENTO DE WETLANDS CONSTRUÍDOS DE ESCOAMENTO HORIZONTAL E VERTICAL EMPREGADOS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS CINZAS Victória Regina Celso Monteiro* Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Ambiental e Sanitária vicregina@hotmail.com Pablo Heleno Sezerino Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC, Brasil Departamento de Engenharia Ambiental e Sanitária pablo.sezerino@ufsc.br Resumo Este artigo apresenta os resultados do monitoramento de unidades tipo wetlands construídos de escoamento horizontal (WCH) e de escoamento vertical (WCV), empregados no tratamento de distintas águas cinzas (AC). Duas unidades geradoras de AC foram avaliadas através de medição de vazão in loco, bem como a eficiência de tratamento destas analisando-se os afluentes e efluentes dos WCH e WCV. Para o WCH (8 m 2 de área superficial) aplicou-se uma vazão média de 102,3L/d de AC afluente, correspondente em média a 34,1 L/pessoa.d, obtendo-se uma eficiência de remoção de 82,7% para DQO, 56% para N-NH 4 + e 73,5% para o P-PO Para o WCV (9,24 m 2 de área superficial), a vazão média aplicada ficou em 49,18 L/d, correspondente em média a 2,14 L/pessoa.d, alcançando eficiências de 88% para DQO, 97% para N-NH 4 + e 75% para P-PO Ambos os sistemas se mostraram viáveis ao tratamento das AC, demandando um procedimento operacional simplificado. Palavras-chave: Águas cinzas. Wetlands construídos. Escoamento horizontal. Escoamento vertical. 1 Introdução A tecnologia dos wetlands construídos vem sendo cada dia mais reconhecida como uma tecnologia sustentável de tratamento de águas residuárias, eficiente, viável economicamente, além de versátil e adaptável as mais diversas realidades e tipos de efluentes. Corroborando com a ideia de versatilidade, sabe-se que existem muitas variações deste tipo de sistema, com relação ao tipo de escoamento, plantas utilizadas, material filtrante, entre outras características. O sistema de escoamento subsuperficial é um dos mais utilizados, sendo também

2 denominado filtro plantado com macrófitas, e neste caso o efluente escoa pela parte interna do leito, atravessando o wetland, podendo ser classificados em escoamento horizontal e escoamento vertical. No escoamento horizontal o esgoto é inserido na parte inicial do leito, geralmente constituída por brita, e percola horizontalmente pelo material de recheio, sendo a areia o material mais empregado, até alcançar a zona de saída, também composta por brita. O sistema normalmente apresenta uma leve inclinação de fundo a fim de facilitar o escoamento do efluente (PHILIPPI; SEZERINO, 2004). Já no escoamento vertical, o wetland é na maioria das vezes escavado no solo, e também preenchido com material de recheio, onde são plantadas as macrófitas. O diferencial vem da alimentação do sistema, que é intermitente, e realizada na parte superior do filtro; o esgoto então percola verticalmente sendo coletado no fundo. Este tipo de fluxo provoca uma maior oxigenação, favorecendo a degradação aeróbia e a nitrificação (PHILIPPI; SEZERINO, 2004). Atualmente os wetlands construídos têm sido usados para tratar todos os tipos de águas residuárias, incluindo industriais e da agricultura, águas pluviais de escoamento, águas cinzas e lixiviados de aterro sanitário (VYMAZAL; KRÖPFELOVÁ, 2011). O termo águas cinzas é utilizado para designar os efluentes provenientes de banheiras, chuveiros, lavatórios, máquinas de lavar, lavadoras de louça, lavanderias e pias de cozinha (MOREL; DIENER, 2006). No entanto, alguns autores não incluem a pia da cozinha no sistema de águas cinzas, estas são então chamadas águas cinzas claras; sendo águas cinzas escuras, os efluentes que contêm contribuição da cozinha (HENZE e LEDIN, 2001 apud MAY E HESPANHOL, 2008). De acordo com a literatura, as águas cinzas podem representar de 70% a 75% do fluxo de água residuária de uma residência (HERNÁNDEZ LEAL et al., 2007). Para uma residência em Sydney, na Austrália, com três pessoas, estimou-se uma produção de 339L/dia (LOH e COGHLAN, 2003 apud NSWHEALT, 2008), porém a quantidade de água cinza produzida varia bastante de acordo com a situação e também com o nível de renda da família, estando relacionada principalmente com o consumo de água potável. Dentro desse contexto, foram monitorados dois sistemas de wetlands construídos, um de escoamento horizontal e outro de escoamento vertical, empregados ao tratamento de distintas águas cinzas, e avaliou-se a eficiência de tratamento e comportamento operacional das tecnologias. 2 Metodologia 2 1 Descrição dos sistemas O primeiro sistema está localizado na zona rural do município de Palhoça/SC, em uma residência com três pessoas. As águas cinzas são geradas no tanque e máquina de lavar roupas da família.

3 O sistema de tratamento é composto por um tanque séptico seguido por um wetland de escoamento horizontal, plantado com Cyperus papirus. A unidade foi implantada no ano de 2010, sendo que o wetland foi dimensionado baseado na cinética de primeira ordem aplicável a reatores de fluxo pistão, resultando em uma área superficial de 8m², possuindo 4 m de comprimento, 2 m de largura e 1 m de altura (Figura 1). A camada de material filtrante foi preenchida por 0,7 m de areia grossa. A vazão foi estimada em 0,45 m 3 /d e a taxa de aplicação na seção transversal igual a 320 L/m 2.d, de acordo com o trabalho de Magri et al., (2011). Figura 1 - Tanque séptico seguido de wetland horizontal tratando águas cinzas na propriedade rural em Palhoça/SC (à esquerda), e sistema de tratamento de águas cinzas na sede da empresa em Florianópolis (à direita). Fonte: Autoria própria (2014). O segundo sistema se encontra localizado na sede de uma empresa de engenharia, no bairro Santo Antônio de Lisboa em Florianópolis/SC. Na empresa são realizadas somente atividades de escritório, e a água cinza é composta pelos efluentes gerados nas pias de quatro banheiros e, também, na pia da cozinha. A área superficial do wetland construído vertical é 9,24 m 2, sendo 2,20 m de largura, 4,20 m de comprimento e 0,7 m de altura, o que resulta em um volume de 6,47 m 3 (Figura 1). O material de recheio é composto por uma camada de 0,10 m de brita para distribuição do efluente, 0,50 m de areia grossa, e 0,10 m de brita para drenagem do efluente. A carga orgânica aplicada foi proposta como sendo 30 gdbo/m 2.d e a vazão estimada 0,25 m 3 /d. 2 2 Monitoramento dos sistemas Destaca-se que ambos os sistemas já estavam em operação, sendo há 33 meses o sistema de Florianópolis e 44 meses o sistema de Palhoça. O comportamento do sistema de Palhoça está relatado detalhadamente nos trabalhos de Magri et al., (2011), Pires, (2012) e Magri et al., (2012). Os efluentes foram coletados quinzenalmente na entrada e na saída dos wetlands horizontal e vertical, durante 9 meses. Foram analisados em laboratório os seguintes parâmetros: demanda

4 Volume (L) Volume (L) + química de oxigênio DQO (APHA, 2005), nitrogênio amoniacal N-NH 4 (VOGEL,1981), - 3- nitrogênio nitrato N-NO 3 (APHA, 1998) e fósforo ortofostato P-PO 4 (APHA, 1998). Para o monitoramento da produção das águas cinzas, foram realizadas cinco campanhas de medição de vazão in loco, as quais iniciavam-se às 8h da manhã, seguindo até as 18h para a empresa, e das 08h30min até aproximadamente 15h para a residência rural, de acordo com a atividade de lavagem de roupas da família. Para o procedimento, foi utilizado um recipiente graduado e a anotação do volume produzido foi realizada de hora em hora. Ainda visando o monitoramento, um relatório de dados foi iniciado na primeira coleta, e a partir desse documento foi possível apontar questões quanto à adequação do arranjo tecnológico, necessidades de melhorias e o comportamento em si da tecnologia quando aplicada ao tratamento de águas cinzas. 3 Resultados e discussão 3 1 Wetland construído horizontal (sistema 1 Palhoça/SC) Na figura 2 pode ser verificado que as maiores produções de água cinza ocorreram no período da manhã, onde se concentra mais a atividade de lavagem de roupas da família. O volume produzido das 8h30min às 9h30min variou de 25,3 L à 169 L, vazão de pico justificada pelo uso da máquina de lavar na residência, a qual não é utilizada com frequência, somente para a lavagem de roupas mais pesadas, como roupas de cama. A média de vazão produzida e medida na lavanderia da residência em estudo atingiu o valor de 102,3 L/d. Segundo Nswhealt (2000), a lavanderia de uma residência pode alcançar 135 L/d. Magri et al., (2008) em uma residência unifamiliar também em Florianópolis, no bairro Ratones, obteve como média de produção no tanque e na máquina de lavar um valor de 134,2 L/d. Figura 2- Evolução temporal da vazão de entrada medida na residência, volume médio e acumulado de água cinza produzida na residência durante as horas do dia Evolução Temporal da Vazão de Entrada Volume Médio e Acumulado de Água Cinza Horas do dia 05/09/ Quinta 08/10/ Terça 05/11/ Terça 03/12/ Terça 09/12/ Segunda Horas do dia Volume Médio Volume Acumulado Médio Fonte: Autoria própria (2014).

5 A figura 2 também indica os volumes médios acumulados de água cinza para cada hora do dia. O horário que apresentou as maiores vazões foi realmente o início da manhã, das 8h30min às 9h30min, atingindo um volume médio de 66,5 L. Sendo o volume médio de água cinza acumulado 102,3L, a produção por pessoa fica em torno de 34,1 L/pessoa.d. Os valores de águas cinzas produzidos em lavanderias variam de 13 a 34 L/pessoa.d, de acordo com Morel e Diener (2006). Ghaitidak e Yadav (2013), relatam valores oscilando de 5 L/pessoa.d no Yemen até 82 L/pessoa.d na América do Norte. A matéria carbonácea presente na água cinza foi medida em termos de DQO (Figura 3), sendo que para a entrada do wetland horizontal (EWH) a média ficou em 962 mg/l. Levando-se em consideração o cálculo de vazão realizado onde tem-se 102,3 L/d, a concentração média de DQO na EWH (962 mg/l) e a área superficial do WCH (8m²), obtém-se uma carga aplicada de 12,3 gdqo/m².d, ou seja, valor que está de acordo com o recomendado por Hoffmann et al. (2011). Figura 3: Gráfico boxplot para DQO, N-NH 4 + e P-PO 4 3- em mg/l, sendo EWH: Entrada wetland horizontal e SWH: Saída wetland horizontal. Fonte: Autoria própria (2014). Na saída do wetland horizontal (SWH), a média de DQO ficou em 166 mg/l, assim o sistema alcança uma remoção média de 82,7%. Monteiro (2009) obteve uma remoção de 60% de

6 Volume (L) Volume (L) DQO em um wetland horizontal, enquanto Pansonato (2010) obteve 56%. Knupp e Gonçalves (2013) alcançaram 74% também em um wetland horizontal tratando águas cinzas. Com relação aos nutrientes, observa-se na figura 3, um valor médio de 11,3 mg/l de N- NH + 4 na EWH. Sabe-se que os níveis de nitrogênio geralmente são baixos nas águas cinzas, pois não há mistura com a urina, principal fonte desse nutriente (MOREL; DIENER, 2006). Na SWH, o valor ficou em 5,0 mg/l, retratando uma eficiência média de 56%, uma considerável remoção para wetland horizontal. Knupp e Gonçalves (2013) obtiveram 12% de eficiência de remoção para este parâmetro, enquanto Monteiro (2009) obteve 13%. 3- As concentrações de P-PO 4 encontradas na EWH são relativamente altas, ficando a média geral em 31,8 mg/l, como pode ser observado na figura 3. Contudo, a carga de fósforo aplicada é baixa, da ordem de 0,40 gp-po 3-4 /m².d. Na SWH, a concentração média de P-PO 3-4 foi de 8,4 mg/l, ficando a remoção média em 73,5%. 3 2 Wetland construído vertical (sistema 2 Florianópolis/SC) Para o sistema vertical, que trata efluentes do escritório, o volume total de águas cinzas produzidas representam a soma dos efluentes gerados nos lavatórios e na cozinha. Sabe-se que os hábitos deste tipo de empreendimento diferem bastante de residências, as quais normalmente produzem maiores volumes de águas cinzas. Somando-se então as produções do escritório, foram gerados em média 49,18 L/d. Na figura 4 pode-se observar a evolução temporal da vazão de entrada medida in loco no escritório. Figura 4 - Evolução temporal da vazão de entrada medida no escritório e volume médio e acumulado de água cinza produzida durante as horas do dia Evolução Temporal da Vazão de Entrada Horas do dia 02/09/ /10/ /10/ /11/ /12/ Volume Médio e Acumulado de Água Cinza Horas do dia Volume Médio Volume Acumulado Médio Fonte: Autoria própria (2014). Verifica-se que ocorre produção de efluente durante todo o horário comercial, sendo observados alguns picos principalmente nos horários próximos ao almoço, das 12h às 13h e das 13h às 14h na maioria das campanhas, indicando um maior uso das instalações neste período. O período da manhã registra os menores volumes de águas cinzas, e o horário com maior produção média de

7 efluente é mesmo o das 12h às 13h, alcançando 8,1L. A produção se mantém das 13h às 16h, gerando por volta de 7 L/h, e volta a diminuir à partir das 16h. Utilizando-se o volume médio acumulado ao longo do dia como sendo de 49,18 L e considerando o número médio de funcionários que trabalham no escritório (23), obtém-se uma produção média de 2,14 L/pessoa.d. Com relação aos parâmetros analisados, pode ser observado na figura 5 que a média de DQO na entrada do wetland vertical (EWV) ficou em 100 mg/l. Considerando-se esta concentração obtida, a vazão média de 49,18 L/d e a área superficial do wetland de 9,24 m², obtém-se uma carga aplicada de 0,53 gdqo/m².d, ou seja, bem inferior à recomendações de Hoffmann et al. (2011), que sugerem aplicação de cargas de até 20 gdqo/m².d para sistemas verticais em clima frio. Figura 5: Gráfico boxplot para DQO, N-NH 4 +, N-NO 3 - e P-PO 4 3- em mg/l, sendo EWV: entrada wetland vertical e SWV: saída wetland vertical. Fonte: Autoria própria (2014). Na saída do wetland vertical (SWV), a concentração média de DQO ficou em 12 mg/l, resultando em uma remoção de 88%. Sarnaglia e Gonçalves, (2013) também em um wetland vertical obtiveram 85% de remoção para este parâmetro. Para o N-NH + 4, a concentração média foi de 20,3 mg/l na EHV e, considerando-se esta concentração afluente, a vazão média aplicada (48,18 L/d) e a área superficial do wetland vertical,

8 tem-se uma carga aplicada 0,1 gnh + 4 /m².d, ou seja, muito abaixo do recomendado pela literatura (PLATZER, 1999) para que a transformação da amônia a nitrato se processe. + Com esta reduzida carga de N-NH 4 aplicada, o wetland vertical apresenta uma ótima redução na concentração deste poluente, sendo observado na SWV uma concentração de 0,5 mg/l, o que significa uma remoção média de 97%. Através da figura 5, pode-se constatar a ocorrência da nitrificação neste sistema, (7,5 mg/l de N-NO - 3 na SWV), explicando assim a alta remoção de N-NH + 4. Para o P-PO 3-4, a concentração média na EWV foi 6,5 mg/l, como mostra também a figura 5. Na SWV obteve-se 1,6 mg/l, obtendo-se 75% de remoção média. Pansonato (2010) obteve para um wetland vertical, 33% de remoção para o P-PO 3-4, mesmo valor relatado por Morel e Diener (2006) para um sistema vertical no Nepal. 3 3 Manutenção dos wetlands construídos A figura 6 apresenta algumas imagens do período de moniramento para os wetlands construídos horizontal (WCH) e vertical (WCV). Ambos os sistemas se mostraram adequados e bem adaptados no tratamento das águas cinzas. Figura 6 - Desenvolvimento do wetland horizontal (esquerda) e vertical (direita) ao longo do período de monitoramento. 1. Início monitoramento (04/13); 2. Queda das plantas (07/13); 3 Replantio de algumas mudas (09/13); 4. Início do desenvolvimento dos papiros e mini papiros replantados (10/13); 5. Papiros e mini papiros crescidos (11/13); 6.Última coleta (12/13); 7. Pré-monitoramento (08/12); 8. Início monitoramento (04/13); 9. Papirus bem desenvolvidos (09/13); 10. Poda/retirada de algumas mudas (10/13); 11. Detalhe de algumas plantas mortas (11/13); 12. Última coleta (12/13). Fonte: Autoria própria (2013).

9 Com relação à manutenção, foram identificadas questões como crescimento de plantas daninhas, necessidades de replantio de mudas e limpeza das unidades de tratamento a montante. 4 Conclusões Com este trabalho foi possível avaliar os hábitos dos diferentes empreendimentos estudados e como estes influenciam na produção de efluentes. Pode-se inferir que em residências a geração de águas cinzas é mais expressiva do que em escritórios, e esta geração se mostra mais concentrada em um período, enquanto em escritórios a geração é distribuída ao longo do dia. Foram obtidos valores médios de produção de águas cinzas da ordem de 102 L/d e 48 L/d para residência e escritório respectivamente, valores estes que podem ser interessantes em futuros dimensionamentos. O desempenho dos sistemas empregados no tratamento foi identificado por meio das consideráveis eficiências de remoção de poluentes obtidas para ambos os wetlands estudados, destacando-se remoções de 82,7% para DQO, 56% para N-NH + 4 e 73,5% para o P-PO 3-4 no WCH, e 88% para DQO, 97% para N-NH + 4 e 75% para P-PO 3-4 no WCV. Ambas as configurações se mostraram viáveis no tratamento de águas cinzas de residência e de escritório, tanto com relação à eficiência quanto ao comportamento, e esteticamente favoráreis ao meio ambiente, demandando um procedimento operacional simplificado. 5 Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer ao CNPq pelo financiamento da pesquisa e a empresa Rotaria do Brasil. 6 Referências APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington, APHA American Public Health Association, 19 o Edição, APHA. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Washington, APHA - American Public Health Association, 21 o Edição, GHAITIDAK, D. M.; YADAV, K. D. Characteristics and treatment of greywater - a review. Environmental science and pollution research international, v. 20, n. 5, p , HERNÁNDEZ LEAL, L.ZEEMAN, G.; TEMMINK, H., BUISMAN C. Characterisation and biological treatment of greywater. Water science and technology : a journal of the International Association on Water Pollution Research, v. 56, n. 5, p , HOFFMANN, H.;PLATZER, C., WINKER, M., VON MUENCH, E.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, 2011.

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