Wetlands - Sperling

Curso Tratamento de Esgotos ABES-MG, set 2016

SISTEMAS ALAGADOS CONSTRUÍDOS (WETLANDS CONSTRUÍDOS) Marcos von Sperling

Universidade Federal de Minas Gerais

WETLANDS Wetlands, terras úmidas construídas, alagados c o n s t r uí do s , leitos c ult iv a d os , filtros pla nt a d o s , le it os c om m a c r óf it a s , s is t e m a s de z o n a s d e r a í z e s , j a rd i n s f i l t r a n t e s . . . Áreas inundáveis ou saturadas por água superfici ou subterrânea que suportam vegetação adaptad a estas condições

LITERATURA NACIONAL E INTERNACIONAL

Literatura internacional Grande quantidade de livros

etc …

Literatura nacional Poucos livros. Vários trabalhos publicados.

Trabalho 2015

Livro 2004

Pesquisas: UFSC, UFV, UFMG e outras universidades

TIPOS DE WETLANDS

WETLANDS NATURAIS

Incluem: 

Pântanos



Brejos



Alagados



Áreas similares

(abrigam diversas formas de vida)

WETLANDS NATURAIS

WETLAND CONSTRUÍDA

Construída especificamente para o controle da poluição

WETLAND CONSTRUÍDA

Mecanismo de tratamento: • baseado em we tlands naturais Microrganismos, plantas e animais nativos trabalham juntos: • redução dos poluentes da água

WETLAND CONSTRUÍDA

Vegetação utilizada - exemplos: • Taboa (Typha) • Junco (Scirpus) • Canas (Phragmites) • Tifton 85 (Cynodon spp - híbrido) • Cyperus papyrus (papiro) •…

PLANTAS

Propriedade das macrófitas Parte aérea Tecidos da planta em contato com a água residuária

Raízes e rizomas em contato com o solo

Ação de auxílio no tratamento de esgotos - potencial estético – embelezamento paisagístico - armazenamento de nutrientes - atenuação da radiação solar – efeito isotérmico - promoção da filtração - dispõem grande área para aderência de microrganismos - facilitam a transferência de gases (entrada de oxigênio e saída de CH4, CO2, NO2 e H2S) - retirada de nutrientes - prevenção contra a erosão - liberação de oxigênio = auxílio na degradação aeróbia da matéria orgânica e na nitrificação -- retirada liberaçãodedenutrientes antibióticos

Fonte:

Adaptado de Brix (1997) apud Philippi e Sezerino (2004)

WETLAND CONSTRUÍDA

Processo de tratamento: • Águas residuárias (domésticas e industriais) • Lodo de tanque séptico • Lodo de ETE ´

• Curso d água • Água de chuva (drenagem pluvial)

Tratamento descentralizado Para pequenos aglomerados - baixa densidade populacional - zonas rurais Condomínios e loteamentos Conjuntos habitacionais Unidades residenciais “locais onde não se dispõe de serviço público de coleta, tratamento e disposição final dos esgotos”

PRINCIPAIS TIPOS DE WETLANDS CONSTRUÍDAS

Wetlands construídas de escoamento superficial

Wetlands construídas de escoamento superficial Semelhante às wetlands naturais efluente fica exposto na superfície Em nossas condições:

•

risco de geração de maus odores

•

risco de proliferação de mosquitos



(Nova Zelândia – polimento de efluente de lagoas de estabilização)

Wetlands para o controle da poluição difusa (drenagem pluvial)

Escoamento subsuperficial

Perth, Austrália Escoamento superficial

Wetlands para o tratamento de parte de curso d´água (período seco)

Escoamento superficial

Gdansk, Polônia Escoamento subsuperficial

Wetlands construídas de escoamento horizontal subsuperficial


Wetlands construídas de escoamento horizontal subsuperficial CePTS: Efluente de reator UASB


Unidade plantada

Unidade não plantada

CePTS UFMG / COPASA

Afluente: efluente de reator UA H total = 0,40 m; H útil = 0,30 m Taxa de aplicação = 0,11 m 3/m TDH = 1,1 d Cada unidade: 50 hab ~ 1,5 m2/hab Meio filtrante: escória de alto-for Brita 2; d10 = 19mm; d60/d10=1,2

ETE Experimental UFMG / COPASA


Taboa (Typha latifolia)

Plantio

Crescimento

Início de operação: 2007 CePTS UFMG/Copasa – 50 hab cada

Poda

Wetlands construídas de escoamento horizontal subsuperficial Concentrações efluentes médias (mg/L) (três anos e meio de operação – set 2007 a maio 2011) ReatorCePTS UASBUFMG/Copasa + wetland horizontal Parâmetros

Esgoto Bruto

UASB

Wetland plantada

DQO DBO SST N amoniacal

414 293 296 24

179 83 51 29

50 25 9 27

Wetland não plantada 55 23 6 28

Wetlands construídas de escoamento horizontal subsuperficial Eficiências médias de remoção (%) (três anos e meio de operação – set 2007 a maio 2011) Parâmetro

Reator UASB wetland Eficiência Eficiên cia wetla+nds Eficiênhorizontal cia wetla nds Eficiência global d (%) com base na com base na carga remoção com bas removida (%) na concentração concentração removida (%) UASB Plantada Não plant. Plantada Não plant. UASB + UASB + plantada não plantada

D QO DBO5

57 72

72 70

SST N TK Amônia

83 -

82 6 7

69 72 3 3

88

74 76

78 76 25 25

86

18 18

90

87 92

88 91 -

97

-

Perdas de água médias: plantada: 20%; não plantada: 15%

98

Wetlands construídas de esc oamento horiz ontal subsuperficial Balanço do nitrogênio nas wetlands ao longo de 12 meses (UASB + FBP + wetlands) Remoção por outros mecanismos 35%

Extraçãovegetal pela biomassa 7%

Carga afluente 100%

Carga efluente 48%

Perdas 10%

Wetlands construídas de esc oamento horiz ontal subsuperficial Balanço do fósforo nas wetlands ao longo de 12 meses (UASB + FBP + wetlands) Remoção por outros mecanismos 60%

Extração pela biomassa vegetal 6%

Carga afluente 100%

Carga efluente 18%

Perdas 16%

Escoamento horizontal subsuperficial Fornecimento de oxigênio:

depende da espécie vegetal cultivada • rizomas das plantas • difusão do ar atmosférico “formação de zonas aeróbias e anaeróbias” Será realmente importante?

Escoamento horizontal subsuperficial Perda de água: •

Evaporação (wetland não plantada): 10 a 25%

•

Evapotranspiração (wetland plantada): 15 a 30%

Implicações em termos da concentração efluente  efluente se torna mais concentrado Medir eficiência em termos de carga removida (e não concentração ou corrigir a concentração efluente: Concent. corrigida = Concent. medida x (1 – fração de perda de água

Ex: DQO efluente medida = 50 mg/L; perda de água = 30% Concent. corrigida = 50 mg/L x (1 – 0,30) = 35 mg/L

Escoamento horizontal subsuperficial Colmatação  ocorrência de escoamento superficial CePTS UFMG/Copasa – 50 hab cada

(após poda; fonte: Mateus Matos 2015)

Escoamento horizontal subsuperficial Processo de col matação

Fonte: Matos (2015)

Escoamento horizontal subsuperficial Leito sem colmatação

Fonte: André Baxter (2013)

Escoamento horizontal subsuperficial Leito colmatado, com es coamento superficial colmatado

Fonte: adaptado de André Baxter (2013)

pouco colmatado

Escoamento horizontal subsuperficial Colmatação  ocorrência de escoamento superficial

Fonte: Knowles et al (2010)

Escoamento horizontal subsuperficial Processo de col matação

Fonte: Matos (2015)

Escoamento horizontal subsuperficial LEI DE DARCY (escoamento em meios porosos) L hf

H

B

A

Vazão = Condutividade hidráulica x Área seção transversal x Gradiente hidráulico

Q = Ks . A . (hf/L)



hf = (Q.L) / (Ks.B.H)

Q = vazão (m3/d) Ks condutividade hidráulica (m/d) A ==área da seção transversal = B . H (m2) hf = perda de carga (m) L = comprimento (m) H = altura da lâmina d´água (m) B = largura da seção transversal (m)

Escoamento horizontal subsuperficial Recomendações da EPA Tipo do Meio (n) Areia grossa Areia em cascalho Cascalho fino Cascalho médio Pedras grosseiras

Porosidade (%) 28-32 30-35 35-38 36-40 38-45

Tamanho Efetivo (mm) 2 8 16 32 128

Condutividade Hidráulica (Ks) (m/d) 100-1000 50-5000 1000-10000 10000-50000 50000-250100

Condutividade hidráulica de projeto • Trecho inicial (primeiros 30% do comprimento): Ksi (m/d) (1% Ks meio limpo) • Trecho final(restantes 70% do comprimento): Ksf (m/d) (10% Ks meio limpo)

Escoamento horizontal subsuperficial DIMENSIONAMENTO Taxa de aplicação hidráulica superficialTAH (Q/A) = 0,1 a 0,3 m3/m2 (ou maior, dependendo das características do afluente) Obs: No CePTS: 0,12 m3/m2.d)

Área superficial: As = Q/TAH Verificar taxa de aplicação orgânica superficial: 100 a 200 kgDBO/ha.d (valores mais elevados são também utilizados)

Escoamento horizontal subsuperficial Características geométricas As H (meio mais grosso é necessário) L

? As

(meio mais fino é possível)

• Decidir sobre a relação L/B e, com base na área superficial As, calcular L e B • Adotar altura H

Escoamento horizontal subsuperficial Perda de carga borda livre {

hf

H{

L escoamento superficial

H

hf

L Se a perda de carga for maior do que a borda livre (distância do nível d´água ao topo do meio suporte)  escoamento superficial (a vazão que escoa superficialmente não segue a lei de Darcy)

Escoamento horizontal subsuperficial Perda de carga H Lei de Darcy:

L hf = (Q.L) / (Ks.B.H)

Exemplo: • Vazão: Q = 7,5 m 3/d • Comprimento da zona inicial (30% do comprimento total): L = 8,00 • Largura B: 5,00 m • Altura: H = 0,40 m • Ksi = 100 m/d

hf = (7,5x8,00) / (100x5,00x0,40) = 0,30 m

Escoamento horizontal subsuperficial DIMENSIONAMENTO Nomenclatura Pedrisco Britanº0 Britanº1 Britanº2 Britanº3 Britanº4

Dimensões 0a4,8mm 4,8a9,5mm 9,5a19mm 19a25mm 25a38mm 38a64mm

Altura líquida: H ~0,3 a 0,4 m l (depende das raízes) Borda livre: ~ 0,1 m

Declividade longitudinal: Zona de entrada i = 0 a 1,0% (pedra de mão) Comprimento ~ 0,5 m

Leito filtrante: ~ brita 1

Tubulação de saída com nível variável

Zona de saída (pedra de mão) Comprimento ~ 0,5 m

Escoamento horizontal subsuperficial Detalhe da entrada

Tubulação perfurada (risco de entupimento dos orifícios)

Vertedores triangulares espaçados

Escoamento horizontal subsuperficial Detalhe da saída

Tubulação perfurada ao longo da largura, na zona de saída

ou Braço regulável

Tubulação de plástico flexível

Escoamento horizontal subsuperficial Perfil da matéria orgânica ao longo da distância

DQO filtrada – wetland plantada – CePTS UFMG/Copasa

FÓRMULAS PARA ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE (cinética de primeira ordem) (uso em projeto de novos reatores)

Fluxo em pistão Mistura completa

Fluxo disperso

C = C 0 e -K.t

C=

C

a

=

=

Co = concentração afluente (mg/L) C = concentração efluente (mg/L) K = coeficiente de reação (d -1)

C0 1 + K.t

C0 .

C0

C=

(1 + K.

th n

)n

(células em série)

4ae1/2d (1 + a) 2 ea/2d

−

− (1 − a) 2 e a/2d

1 + 4K.t.d

t = tempo de detenção hidráulica (d) d = número de dispersão (adimensional)

FÓRMULAS PARA ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE (cinética de primeira ordem) (uso em projeto de novos reatores)

Para reatores, odeTDH fluxoteórico contínuo enchimento é: com material de

Escoamento horizontal subsuperficial Estimativa simplificada da concentração de DBO efluente Modelo de fluxo em pistão:

C = Co.e –K.t C = concentração de DBO efluente (mg/L) Co= concentração de DBO afluente (mg/L) K = coeficiente de remoção de DBO (0,8 a 1,1 d -1) t = tempo de detenção hidráulica = V.porosidade/Q DBO particulada é bem baixa ( desprezível) ≈

Escoamento horizontal subsuperficial Manejo das plantas (taboa) 0,5 a 1,5 cm/d corte

corte

Retirada manual de espécies invasoras

Unidade não plantada (com invasoras)

Unidade plantada (após corte)

Material do corte

Wetlands construídas de escoamento vertical (Sistema Francês / Cemagref)

Wetlands construídas de escoamento vertical Sistema francês (Cemagref); afluente: esgoto bruto

S is t e m a f r a nc ê s – doi s e s t á gios

2º estágio Efluente do21º estágio 0,8 m /hab Remoção de amônia

1º estágio Esgoto bruto 1,2 m2/hab Remoção de DBO e SS

S is t e m a f r a nc ê s – doi s e s t á g ios • França: 3500 sistemas (pop < 5.000 hab) • Avaliação pela equipe de Pascal Molle: Morvannou et al (2015) – 415 sistemas avaliados

Faixa populacional

Fonte: Morvannou et al (2015)

Esgoto bruto

NTK mais concentrado que usual no Brasil

S is t e m a f r a nc ê s – doi s e s t á gios Avaliação pela equipe de Pascal Molle: Morvannou et al (2015): 415 sistemas avaliados na França

Concentrações médias obtidas (mg/L) Estágio (mg/L) DQ O 1º 126 2º 74

SS (mg/L 38 17

NTK (mg/L) 27 11

Eficiências médias obtidas (%) Est ág i o DQ O SS NTK 1º 2º

(%) 77 87

(%) 83 93

(%) 59 84

Países em desenvolvimento: adotar apenas 1º estágio?

Wetlands construídas de escoamento vertical CePTS UFMG / COPASA (100 hab) (~1 m2/hab) Sistema francês (Cemagref) de 1 o estágio Afluente: esgoto bruto

Escoamento vertical (1o estágio do si stema francês)

Alimentação

Descanso

Descanso

Alternância na alimentação


Descanso

Alimentação

Descanso



Descanso

Descanso

Alimentação



Batelada


Batelada


Batelada


Batelada


Batelada


Batelada


Batelada


Batelada

Wetlands construídas de escoamento vertical CePTS UFMG / COPASA (100 hab) (~1 m2/hab)

Afluente: esgoto bruto Etapa única de tratamento Sem tratamento do lodo

Tifton

Wetlands construídas de escoamento vertical

Tifton

CePTS UFMG / COPASA

Wetlands construídas de escoamento vertical Concentrações médias - CePTS Alimentação durante ~2,3 dias (1/3 de uma semana) em cada unidade, e descanso de ~4,7 dias (2/3 de uma semana) (ciclo total de uma semana, com as três unidades) Unidade plantada, batelada a cada 1 hora Taxa de aplicação hidráulica no leito: 0,45 m 3/m2.d Taxa de aplicação hidráulica no sistema: 0,45/3 = 0,15 m 3/m2.d P a r âm e t r o DBO DQO SST

Es g o t o b ru t o (mg/L) 223 429 227

Efluente (mg/L) 37 73 33

NTK Amônia Nitrato PT

32 26 0,1 3,8

14 11 11 2,2

Lembrar que as unidades recebem esgoto bruto

Wetlands construídas de escoamento vertical Eficiências medianas de remoção - CePTS Unidade plantada, batelada a cada 1 hora Taxa de aplicação hidráulica na unidade: 0,45 m3/m2.d Par âm et r o DBO DQO SST NTK

Eficiência mediana (%) 87 85 88 58

Lembrar que as unidades recebem esgoto bruto

Wetlands construídas de es coamento vertical Potencial para nitrificação

Batelada de 540 L a cada 1 hora CePTS UFMG / COPASA (100 inhab)

Wetlands construídas de escoamento vertical • Remoção de Escherichia coli : 1 a 2 unidades log • Concentração efluente média: 1 ovo/L (ausência em

grande parte das amostras do efluente) • Eficiência de remoção dos ovos de helmintos: 97% Concentrações no esgoto bruto: 0 a 280 ovos/L.

(a) Ascaris sp., b) Enterobius vermicularis, c) Ancilostomídeo


Critérios de projeto segundo Cemagref (1 o estágio do sistema francês) Taxas de aplicação superficiais (para o leito em alimentação) Hidráulica: 0,37 m3/m2.d DQO: 0,300 kg/m2.d SS: 0,150 kg/m2.d 2

NTK: 0,025 a 0,030 kg/m .d


Critérios de projeto segundo Cemagref (1 o estágio do sistema francês) Meio suporte

• Camada filtrante (superior), areia grossa 3 a 6 mm • Camada de transição, cascalho 3 a 20 mm • Camada de drenagem (fundo), 20 a 60 mm


Critérios de projeto (1o estágio do sistema francês) Bateladas Volume de cada batelada: Q média / número de bateladas por dia Nível d´água durante a batelada: volume da batelada / área superficial do leito em alimentação (entre 2 e 5 cm)

Acúmulo de lodo – França: 1,5 cm/ano

Wetlands construídas para tratamento de lodo excedente e lodo de tanque séptico

Wetlands construídas de escoamento vertical Tratamento de lodo de fossa séptica e lodo excedente de lodos ativados 4 células (todas recebem lodo de fossa; 1 célula recebe lodo excedente) Leito: areia; planta: taboa (mas com várias espécies invasoras) Lodo nunca foi retirado; não há mau cheiro

Santa Catarina, Rotária do Brasil

Wetlands construídas de escoamento vertical Tratamento de lodo excedente de lodos ativados

Dispositivos de entrada

Wetland

Trecho de lodo sem plantas

Dispositivo de entrada flutuante

Perto de Gdansk, Polônia ETE valo de oxidação (16.000 hab)

Wetlands construídas de es coamento vertical Tratamento de lodo de tanque séptico

CePTS UFMG / Copasa Descarga 1 caminhão por semana, ~ 8 m 3 por caminhão, ~1000 a 4000 hab TAH média = 13 m3/m2.ano; TAS média = 81 kgST/m².ano Acúmulo de lodo: 7 cm/ano

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