O documento discute a aplicação de wetlands construídos no tratamento de águas residuárias. Apresenta conceitos sobre wetlands, classificações, tipos de sistemas como horizontais e verticais, elementos atuantes como material filtrante, macrófitas e micro-organismos, mecanismos de depuração e critérios para dimensionamento destes sistemas.

1. APLICAÇÃO DE WETLANDS CONSTRUÍDOS NO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS
Prof. Pablo H. Sezerino

2. Wetlands - conceitos
•Ecossistema de transição entre ambientes aquáticos e terrestres;
Fonte: http://institutoterramax.blogspot.com.br
Fonte: http://institutoterramax.blogspot.com.br

3. Wetlands - Classificações
Fonte: Adaptado de Vymazal e Kropfelová, (2008)

4. Wetlands Superficial

5. Wetlands subsuperficial Horizontal - WCFH
1) afluente; 2) macrófitas; 3) impermeabilização; 4) zona de entrada; 5) tubulação de alimentação; 6) material filtrante; 7) sentido do fluxo; 8) zona de saída; 9) tubulação de coleta; 10) controlador de nível.

6. a) escavação no solo; b) impermeabilização; c) assentamento do material filtrante; d) FPMH pós-plantio; e) FPMH em janeiro de 2012; f) FPMH em agosto de 2012.

9. Wetlands subsuperficial Vertical -WCFV
1) afluente; 2)macrófitas; 3)material filtrante; 4) tubulação de alimentação; 5) sentido do fluxo; 6) tubulação de coleta; 7) impermeabilização; 8) controlador de nível; 9) efluente final.

10. a) escavação no solo; b) impermeabilização com lona; c) assentamento de manta de poliéster; d) primeira camada de brita utilizada na confecção do material filtrante; e) detalhe da tubulação de coleta do efluente; f) areia distribuída no WCFV; g) detalhe da última camada de brita; h) término do assentamento do material filtrante; i) WCFV plantado.

11. Sistemas Híbridos
Fonte: Adaptado de Vymazal e Kropfelová, (2008)

13. Critérios essenciais - impermeabilização

14. Elementos atuantes
Material filtrante
Macrófitas
Micro-organismos

15. Material filtrante
Qual é a função do material filtrante ?
Quais os critérios devemos considerar ?
Qual escolher ?

16. Material filtrante – Funções:
Filtração
Suporte desenvolvimento biofilme
Suporte desenvolvimento macrófitas
Local de desenvolvimento das reações bioquímicas

17. Material filtrante – Características
Boa condutividade hidráulica
Adsorção de compostos inorgânicos
N-NH4
P-PO43-
Manter o fluxo até a zona de saída do efluente

18. Material filtrante
•Areia: possuem um ótimo potencial de fluxo, porém, nenhuma, ou muito pouca, capacidade adsortiva;
•Argilas: possuem alto potencial de adsorção, mas são praticamente impermeáveis.
A escolha do tipo deste material filtrante a ser empregado está, portanto, condicionada às finalidades do tratamento.

19. Material filtrante
Recomendações :
Literatura internacional: (d10) superior ou igual a 0,20mm; (U) menor ou igual a 5 unidades; (Ks), maior ou igual a 10-4m/s (≥ 10-2cm/s ou ≥ 0,36m/h).
(NBR 13969/97 – ABNT, 1997) = d10 entre 0,25mm e 1,20mm ; U < 4

20. Material filtrante - Cuidados

21. Macrófitas
Qual é a função das macrófitas?
Qual espécie escolher ?
Fonte: http://www.northcreeknurseries.com

22. Macrófitas - Definição
Macrófitas aquáticas
Organismos que vivem desde em ambientes úmidos até ambientes saturados de água;
Tundisi e Tundisi, (2008)
Luz + Água + nutrientes
Grande produtividade vegetal e atividade heterotrófica
Alta capacidade de decomposição de matéria orgânica e outros componentes

23. Macrófitas - Definição
•Flutuantes
•Submersas
•Emergentes
Fonte: Thomaz e Bini (2003)

24. Macrófitas – fluxo subsuperfical
Typha
Papirus
Juncus
Phragmites
Fonte: http://www.northcreeknurseries.com
Fonte: http://vitalsignsme.org

25. Macrófitas
Macrófita
Profundidade das raízes (m)
Crescimento (m)
Phragmites australis
0,6 a 1
0,5 a 8 – rápido e denso
Typha spp.
0,3 a 0,4
0,5 a 4 – rápido e denso
Juncus spp
0,6 a 1
0,5 a 4 – variado e moderado
Características fisiológicas das principais macrófitas empregadas nos wetlands

26. Macrófitas - Funções
oAumento na retenção de sólidos:
Presença de raízes e/ou rizomas:
melhor distribuição e redução na velocidade do escoamento da água residuária;
 melhores condições para sedimentação de SST e aumento no tempo de contato entre a água e as raízes das plantas.

27. Macrófitas - Funções
oFacilitam as trocas gasosas no meio:
•As macrófitas, podem facilitar a entrada de O2 e a saída de
•CH4, CO2, N2O e H2S do sistema;
* Transferência de O2 de (0, 02 g O2 /m².d; (Kadlec e Knight,1996) )
* Liberação de exsudados
Aumento de colonização de bactérias

28. Macrófitas - Funções
oAbsorvem nutrientes do meio:
•Assimilam N e P do meio para seu desenvolvimento
•Eficiência do sistema em relação ao desenvolvimento da planta:
Fase do crescimento: altas taxas de absorção - máxima eficiência;
Senescência: translocação de parte dos nutrientes para os rizomas e as raízes de onde podem ser exsudados - diminuição na eficiência;
Após a morte: degradação do material orgânico, com re-disponibilização dos poluentes - eficiência negativa.

29. Macrófitas - Funções
oProporcionar habitat para vida silvestre e agradável aspecto estético :
Fonte: campos et. al. 2013
Fonte: Ferreira et. al. 2013

30. Macrófitas - Características
1 – A macrófita deve ser tolerante a ambientes com excesso de água/salino ou até mesmo ambientes com pouca água;
2- Rapidez no crescimento;
3- Formação de volumosos sistema radicular;
4- Grande produtividade de biomassa;
5- Não serem invasoras;
6- Facilidade de manejo;
7 – Possibilidade de reutilização;

31. Macrófitas
Mas afinal, qual macrófita escolher ?
Além das características citadas, a macrófita a ser escolhida deve ser adaptada à região;
Estética;
Agregação de valor à biomassa vegetal após poda...

32. PERFORMANCES DE TRATAMENTO
100 trabalhos publicados no BR entre 1999-2011
Macrófitas

33. Macrófitas - Plantio

34. Micro-organismos
•Material filtrante
•Efluente
•Rizosfera
Presentes:

35. Literatura: Utilizando areia como material filtrante, aproximadamente 90%
da atividade microbiana se concentra nos 10 primeiros cm da areia.
Partículas do material
filtrante
Biofilme de microorganismos
NO3
H2S
NO2
Ácidos
orgânicos DBO
OD
Esgoto
Biofilme
Aeróbio
Anaeróbio
Rizoma / raízes

36. Micro-organismos
Bactérias
Protozoários
Micrometazoários
Principais grupos
Fonte: http://www.infoescola.com
Fonte: http://www.quimilab.com
Fonte: http://www.quimilab.com

37. Micro-organismos
Micro-organismos
Função
Bactérias
Oxidação da matéria carbonácea;
Nitrificação e Desnitrificação;
Protozoários
Clarificação do efluente;
Degradação da matéria orgânica;
Produção de polissacarídeos contribuindo na floculação do material suspenso;
Mantêm o equilíbrio ecológico do sistema;
Redução da produção do lodo através da ingestão de bactérias floculadas
Indicação da qualidade do efluente final;
Micrometazóarios
Contribuem para a manutenção da população de bactérias saudáveis;
Diminuem a turbidez do efluente;
Atuam na recirculação de nutrientes;
Aumentam a penetração do oxigênio;
Contribuem na biofloculação;
Auxiliam na redução de DBO;
Favorecem o balanço ecológico do sistema
Papel dos micro-organismos no tratamento de efluentes

38. Mecanismos de depuração
Águas Residuárias
Material carbonáceo
Sólidos
Nutrientes
Patógenos

39. Material sólido
O ideal é realizar a remoção de uma parcela do material sólido em um tratamento primário;
Porque ?
Filtro entope !!!!

40. •Qual é a carga de SS que podemos aplicar nesses sistemas ?
Com o passar do tempo, a condutividade hidráulica tende a ser reduzida até que ocorra a colmatação completa do filtro.
Fonte: De Paoli e Von Sperling,2013
Fonte: De Paoli e Von Sperling,2013

41. Deposição de SS no material filtrante
Produção da biomassa e excreção de substâncias pelos micro-organismos
Precipitação química e deposição nos sólidos
COLMATAÇÃO

42. Depuração da matéria carbonácea
•Aeróbia:
CHONP + O2 + bactérias → CO2 + H2O + novas células
Geralmente essas condições ocorrem nos sistemas de fluxo vertical;
•Anaeróbia:
Matéria orgânica + bactérias → álcool, ácidos e novas células → bactérias →CH4,H2S,NH3,CO2,H2O,novas células
Geralmente essas condições ocorrem nos sistemas de fluxo horizontal;

43. Transformações do nitrogênio
Fonte: Adaptado Cooper et al, 1996

44. Transformações do N em wetlands
Adsorção pelo material filtrante
Assimilação pelas macrófitas
Transformações bioquímicas por micro- organismos

45. Remoção de P
•Precipitação, Adsorção e Sedimentação;
•As reações de adsorção e precipitação ocorrem quando há presença no material filtrante de minerais como o cálcio, alumínio e o ferro, estas reações são controladas pela interação do pH e potencial redox com os minerais presentes, bem como a área superficial dos grãos

46. Comportamento de um WCFH na remoção de ortofosfato ao longo de 1 ano de monitoramento
Remoção de P

47. Assimilação de P macrófitas
Dias após a poda
WCFH
Dias após a poda
WCFV
P (g/Kg)
P (g/Kg)
44
58
92
105
133
150
5,43
6,55
3,42
2,44
2,50
2,65
41
92
108
-
-
-
2,77
2,15
2,44
-
-
-
Teores de P no tecido foliar da macrófita Typha domingenis Pers ao longo do seu crescimento

48.  K t 
Co
Ce
T  exp 
onde:
Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg.L-1)
Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg.L-1)
KT = constante de reação da cinética de primeira ordem – dependente da temperatura T (d-1)
t = tempo de retenção hidráulico (d)
(i) Modelos oriundos da cinética de primeira ordem aplicável aos reatores tipo pistão:
 
K p n
Q Co Ce
A
T  
 

ln ln
onde:
A = área superficial requerida (m2)
Q = vazão afluente (m3.d-1)
Co = concentração afluente em termos de DBO5 (mg.L-1 = g.m-3)
Ce = concentração efluente em termos de DBO5 (mg.L-1 = g.m-3)
KT = obtida pela equação 3 (d-1)
n = porosidade do material filtrante (m3 vazios.m-3 material)
p = profundidade média do filtro (m)
Dimensionamento WCFH

49. Dimensionamento WCFV
(i) Balanço de Oxigênio (Platzer, 1999):
Balanço O2 - equações:
demanda O2 (g/d) = (0,85 * 0,7 * DQOaflu) + (4,3*NTKaflu) - (0,1*2,9*NTKaflu)
convecção O2 (g/d) = 0,3*Q*1000
difusão O2 (g/d) = 1* área prevista * [24 - (1,5 * núm aplicações)]
balanco = convecção O2 (g/d) + difusão O2 (g/d) - demanda O2 (g/d) > 0

50. Aplicação intermitente (3 vezes ao dia; de 8 em 8hs)
Taxa hidráulica = 230 mm/d
40 gDQO/m2.d
15 gSS/m2.d
12 gNTK/m2.d
Areia (d10 = 0,20mm; U = 4,9) – profundidade de 60cm
4 mudas Typha domingensis/m2
Relação de 1,2 m2/pessoa
(ii) Carregamento superficial (Sezerino, 2006)
Dimensionamento WCFV

51. WC HORIZONTAL
- remoção de 90% de DBO5;
- remoção de 90% de SS;
- remoção de 20% de amônia;
- remoção de 30% de fósforo.
Para relação ͌ 2 m2/pessoa
POSSIBILIDADES
100 trabalhos publicados no BR entre 1999-2011
Limites X Possibilidades

52. WC HORIZONTAL
Carga transversal aplicada de no máximo
16 gSS.m-2seção transversal.d-1, para a manutenção de remoções superiores a 65% e 80% para DQO e SS, respectivamente
LIMITES
Colmatação !
Limites X Possibilidades

53. WC HORIZONTAL
Colmatação !
Limites x Possibilidades

54. WC VERTICAL
pH = 6,29 ± 0,35
DQO = 72%
NH4-N = 78% com nitrificação de 73%
SS = 70% de remoção
Para relação ͌ 1,2 m2/pessoa
POSSIBILIDADES
Critérios de Sezerino (2006)
Limites x Possibilidades

55. WC VERTICAL
LIMITES Remoção de Fósforo
0,032
0,146
0,014
0,09
y = 0,0059e0,0455x
R2 = 0,984
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0 10 20 30 40 50 60 70 80
concentração de PO4-P (mg/L)
Massa adsorvida (mg de PO 4-P/g areia seca)
Remoção de Coliformes
Curva de adsorção de fósforo dissolvido
reativo obtida com ensaio junto a areia
Limites x Possibilidades

57. www.gesad.com.br
wetlandsbrasil@gmail.com
catianebti@gmail.com