Avaliação da hidrodinâmica e do desempenho de um wetland construído horizontal componente de um sistema híbrido empregado no tratamento de esgoto sanitário

Abstract

A manutenção das condições de escoamento do meio filtrante em wetlands construídos (WC) é um dos fatores primordiais para sua consolidação e maior adoção em escala prática. Diante disso, esta dissertação avaliou a hidrodinâmica e o desempenho de um wetland construído horizontal (WCH), componente de um sistema híbrido, empregado no tratamento de esgoto sanitário, ao longo de 1 ano e 9 meses de estudo. O sistema híbrido (composto por um módulo wetland construído vertical descendente WCVD, seguido do WCH) é parte integrante de uma estação experimental de tratamento de esgoto (EETE) em escala prática, situada na Universidade Federal de Santa Catarina, e operou sob uma carga média de 40 g DQO/m².d (considerando-se a área superficial WCVD). As unidades WC componentes da EETE foram plantadas com Typha domingesis e empregou-se areia grossa (d10 = 0,29 mm e U = 4) como material filtrante. No monitoramento do balanço hídrico obteve-se uma evapotranspiração média para o WCVD de 6,7 mm/d referente a 9,6% da taxa de aplicação hidráulica (TAH), e para o WCH obteve-se evapotranspiração de 2,2 mm/d ou 8% da TAH. O WCVD alcançou remoções médias em termos de cargas de 35 g DQO/m².d, 3,9 g SST/m².d, 1,7 g P-PO43-/m².d, 4 g N-NH4+/m².d e 3 g NT/m².d, representando eficiências de remoção de 89% para DQO, 89% para SST, 74% para P-PO43-, 69% para N-NH4+ e ou 33% para NT. O WCH operou sob uma carga de 4,4 g DQO/m².d (considerando-se área superficial) e alcançou remoções médias de 1,5 g DQO/m².d, 0,3 g SST/m².d, 0,3 g P-PO43-/m².d, 1 g N-NH4+/m².d e 1,6 g NT/m².d, representando eficiências médias de 71% para DQO, 73% para SST, 91% para P-PO43-, 81% para N-NH4+ e 70% para NT. Avaliou-se o comportamento hidrodinâmico do WCH através de 3 testes com traçador salino NaCl, sob diferentes contextos meteorológicos. Os indicadores hidrodinâmicos revelaram que a unidade sob baixa contribuição pluviométrica apresentou comportamento próximo ao fluxo pistão, enquanto que sob alta contribuição pluviométrica o reator não apresentou comportamento definido, resultando em um maior número de dispersão e menor recuperação de massa do traçador. O tempo de detenção hidráulico médio (TDHm) obtido foi de 6 dias, representando 86% do TDHnominal. O modelo hidráulico que melhor representou o decaimento de DQO foi o de fluxo pistão com concentração residual, com coeficiente de decaimento (kd) de 0,33 d-1. O monitoramento da condutividade hidráulica saturada (ks) no módulo WCH foi realizado pelos métodos slug test (falling head test) e bail test (rising head test), e os dados de campo foram interpretados pelo método de Hvorslev (1951) e Bouwer e Rice (1976). Os resultados de ks apontaram valores que variaram na zona de entrada de 39,8 a 63,8 m/d e na zona de saída de 50,3 a 70 m/d, não apresentando diferença estatística ao longo do comprimento do WCH. A ecotecnologia avaliada apresentou excelentes resultados no tratamento de esgoto sanitário, portando-se como uma atrativa alternativa no tratamento descentralizado. Visto que a remoção global do sistema híbrido em termos de cargas aplicadas foi de 38 g DQO/m².d ou 98% de eficiência, 5 g SST/m².d ou 98% de eficiência, 2 g P-PO43-/m².d ou 99% de eficiência, 6 g N-NH4+/m².d ou 98% de eficiência e 5 g NT/m².d ou 90% de eficiência.

Abstract : The maintaining of flow conditions of the bed media in constructed wetlands (CW) is one of the primordial factors for their consolidation and greater adoption on a practical scale. Therefore, this thesis evaluated the hydrodynamics and performance of a horizontal constructed wetland (HCW) component of a hybrid system used to treat urban wastewater, during 1 year and 9 months of study. The hybrid system (composed by a descending vertical constructed wetland DVCW followed by a HCW) is part of a full-scale experimental wastewater treatment plant (EWTP) located at Federal University of Santa Catarina. The system received an organic loading rate (OLR) equal to 40 g COD/m².d (considering the surface area of the DVCW), the bed media was sand (d10 = 0.29; U = 4) and the bed was planted with Typha domingensis. In the monitoring of hydric balance the DVCW presented an evapotranspiration of 6,7 mm relative to 9,6% of the hydraulic loading rate (HLR), regarding the HCW it was presented an evapotranspiration of 2,2 mm or 8% of the HLR. The DVCW achieved average removals of 35 g COD/m².d, 3,9 g TSS, 1,7 g P-PO43-/m².d, 4 g N-NH4+/m².d and 3 g NT/m².d, representing removal efficiency of 89% for COD, 89% for TSS, 74% for P-PO43-, 69% for N-NH4+ and 33% for TN. The HCW operated under an OLR of 4,4 g COD/m².d (considering the surface area) and achieved average removals of 1,5 g COD/m².d, 0,3 g TSS, 0,3 g P-PO43-/m².d, 4 g N-NH4+/m².d and 3 g NT/m².d, representing removal efficiency of 71% for COD, 73% for TSS, 91% for P-PO43-, 69% for N-NH4+ and 33% for TN. The hydrodynamics behavior of the HCW was evaluated over 3 tracer tests with NaCl, under different meteorological contexts. The hydrodynamics indicators revealed that the HCW unit under low pluviometric contribution presented a behavior close to the piston flow, while under high pluviometric contribution the reactor did not present a defined behavior, resulting in a larger number of dispersion and less recovery of the tracer s mass. The average hydraulic detention time (HDTm) obtained was 6 days, representing 86% of the theoretical HDT. The hydraulic model that best represented COD decay was the residual concentration piston flow with decay coefficient (kd) of 0.33 d-1. The monitoring of the saturated hydraulic conductivity (ks) in the HCW module was performed by the slug test (falling head test) and bail test (rising head test) methods and the field data was interpreted by the Hvorslev (1951) and Bouwer and Rice (1976) method. The ks results ranged from 39,6 to 63,8 m/d in the unit s input and from 50,3 to 70 m/d near the output not showing statistical difference along the length of the HCW. The evaluated ecotechnology presented great results in the urban wastewater treatment, behaving as an attractive alternative in the decentralized treatment. The global removal of the hybrid system, in terms of applied loads, was 38 g COD/m².d or 98% of efficiency, 5 g SST/m².d or 98% of efficiency, 2 g P-PO43-/m².d or 99% of efficiency, 6 g N-NH4+/m².d or 98% of efficiency and 5 g NT/².d or 90% of efficiency.