Influência do modo de alimentação sobre o desempenho de wetland construído vertical de fundo saturado no tratamento de esgoto sanitário

Abstract

Os wetlands construídos verticais de fluxo livre (WCV) são considerados sistemas consolidados em nível mundial no tratamento de esgoto, apresentando uma estabilidade na qualidade do efluente tratado, bem como, requisitos construtivos e operacionais diminutos em relação aos sistemas compactos com energia induzida, tornando-os uma ecotecnologia atrativa aos sistemas descentralizados. Critérios de projeto e operação vêm sendo estabelecidos sob distintas condições de contorno, no entanto, a compreensão da influência do modo de alimentação (MA) do afluente sobre a eficiência dos wetlands não é plenamente estabelecida na literatura técnica, sendo escassas e discrepantes as informações disponíveis relativas à operação otimizada tanto dos WCV, quanto da modalidade de fundo saturado (WCV-FS). Esta dificuldade de fixação do MA ótimo está atrelada à complexidade da descrição matemática da cinética de transformação dos poluentes quando veiculada ao escoamento transiente em meio poroso, tal como ocorre em ambas as modalidades supracitadas. Diante deste contexto, objetivou-se otimizar o desempenho de tratamento de esgoto sanitário promovido por WCV-FS, por meio da variação do volume específico aplicado por pulso afluente (VE) e da taxa hidráulica específica (THE), bem como, comparar o desempenho de tratamento promovido por módulos WCV e WCV-FS, quando ambos foram submetidos a mesma condição operacional. Os resultados obtidos junto ao módulo WCV-FS referente à diminuição de VE de 25,35 L m 2 para 12,29 L m 2 não evidenciaram impacto estatisticamente significativo sobre a eficiência de remoção de cargas afluentes de carbono e nitrogênio, apresentando desempenhos medianos de 95% e 94% em termos de DQO, de 49% e 56% em termos medianos de NT e de 79% e 77% em termos médios de N-NH4+, respectivamente. Em relação ao desempenho de eficiência de remoção da carga afluente de P-PO43- foram observadas diferenças estatisticamente significativas quando da diminuição do VE, com eficiências medianas de 82% e 91%, respectivamente. Adicionalmente, não foram detectadas diferenças significativas para as médias de taxa máxima de consumo de oxigênio (TCOmax) quando se variou o VE, obtendo-se valores de 46,03 g O2 m-2 d-1 para o maior valor de VE e de 44,36 g O2 m-2 d-1 para o menor valor de VE. Identificou-se, ainda, que a variação de VE não resultou em diferenças estatisticamente significativas para a razão entre a potência consumida pelo sistema de bombeamento afluente ao módulo wetland e a massa de oxigênio introduzida no maciço filtrante (valores medianos de 0,148 kW kg O-21 para o maior VE e de 0,145 kW kgO2-1 para o menor VE). Referente à elevação da THE de 4 para 9,6 L m-2 min-1, concomitantemente a uma redução do carregamento hidráulico (CHID) de 101,4 para 74,9 mm d -1, também não foi evidenciada melhoria na eficiência de remoção de carga dos parâmetros físico-químicos avaliados. Contudo, a eficiência energética foi menor para operação com THE de 9,6 L m-2 min-1 comparativamente a THE de 4 L m-2 min-1 (7,87 KgO2 kWh-1 para a maior THE e 19,29 kgO2 kWh-1para a menor THE). Considerando que as concentrações efluentes de DBO5 e N-NH4 ficaram abaixo do limite legal de lançamento de esgoto tratado para os dois valores de THE, conclui-se que uma THE de 4 L m-2 min-1 é suficiente para atender a legislação ambiental concomitantemente a um menor consumo energético. Quanto a comparação entre os WCV e WCV-FS, os resultados demostram a superioridade do WCV-FS na eficiência de remoção de carga para todos os parâmetros de qualidade avaliados. Considerando o conjunto dos resultados obtidos, conclui-se que a melhor configuração para sistemas WCV para o tratamento secundário avançado de esgoto sanitário é a tipologia WCV-FS, operada com CHID variando entre 75 e 100 mm d-1, THE mínima de 4 L m-2 min-1, VE entre 12 e 25 L m-2 e tempo mínimo de intervalo entre pulsos de 3 horas.

Abstract: The vertical flow constructed wetlands (VFCW) are considered consolidated systems worldwide in wastewater treatment, presenting stability in the quality of the treated effluent and low constructive and operational requirements in relation to compact systems with induced energy, making them an attractive ecotechnology to decentralized systems. Design and operation criteria have been established under different contour conditions. However, understanding of the influence of the feeding mode (FM) of influent on the efficiency of wetlands is not fully established in the technical literature, being scarce and discrepant the available information regarding the optimized operation of the VFCW and of the partially saturated vertical flow constructed wetlands (PVFCW) modality. This difficulty in fixing the optimal FM is linked to the complexity of the mathematical description of the pollutant transformation kinetics when transmitted to transient flow in a porous medium, as occurs in both wetlands. In this way, this study aimed to optimize the performance of sanitary wastewater treatment promoted by PVFCW, through the variation of the specific volume (SV) applied in an influent pulse and the specific hydraulic rate (SHR), as well as, to compare the treatment performance promoted by VFCW and PVFCW, when both were submitted to the same operational condition. The results obtained for the PVFCW regarding the decrease in SV from 25.35 L m-2 to 12.29 L m-2 did not show a statistically significant impact on the efficiency of removal of influent loads of COD, BOD5, NT and N-NH4+. For the COD load removal efficiency parameter, the median efficiencies were 95.5% and 94.2% for the SV of 25.35 L m-2 and 12.29 L m-2, respectively. For the TN parameter, the respective median load removal efficiencies were 49.11% and 56.2% for the highest and lowest SV, respectively. For the NH4+--N parameter, the mean load removal efficiencies were 79.5% and 76.9%, respectively. Finally, for the PO43--P parameter load removal efficiency, statistically significant differences were observed, with median efficiencies of 82.2% and 91.3% for the highest and lowest SV respectively. Moreover, no significant differences were detected for the means of maximum oxygen consumption rate (OCR max), when the SV value was varied (46.03 g O2 m-2 d-1 for SV of 25.35 L m-² and 44.36 g O2 m-2 d-1 for SV of 12.29 L m-²). The SV variation also did not result in statistically significant differences in the ratio between the power consumed by the pumping system and the mass of oxygen introduced. In median terms, the values obtained for this criterion were 0.148 KW Kg O2-1 and 0.145 KW Kg O2-1 for the highest and lowest SV, respectively. Regarding the SHR from 4 to 9.6 L m-2 min-1, concomitantly with a reduction of hydraulic loading (HL) from 101.4 to 74.9 mm d-1, there was also no improvement in the charge removal efficiency of the evaluated physicochemical parameters. However, energy efficiency was lower for operation with an SHR of 9.6 L m-2 min-1 compared to 4 L m-2 min-1 (7.84 kg O2 kW h-1 for the largest SHR to 19.29 kg O2 kW h-1 for the smallest SHR). Considering that the BOD5 and NH4+-N effluent concentrations were below the legal limit of discharge of treated wastewater for the two SHR values, it is concluded that an SHR of 4 L m-2 min-1 is sufficient to comply with environmental legislation concomitantly with lower energy consumption. In relation to the comparison between VFCW and PVFCW, the results show the superiority of the PVFCW in the load removal efficiency for all quality parameters evaluated. Considering the results obtained, it is concluded that the best configuration for VFCW for advanced secondary treatment of sanitary wastewater is the PVFCW typology, operated with HL varying between 75 and 100 mm d-1, the minimum SHR of 4 L m-2 min-1, SH between 12 and 25 L m-2 and minimum interval time between pulses of 3 hours.