( PDF ) Determinação de parâmetros de projeto e critérios para dimensionamento e configuração de Wetlands construídas para tratamento de água cinza

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIAS AMBIENTAIS

LARISSA BEGOSSO

DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROJETO E

CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO E CONFIGURAÇÃO

DE WETLANDS CONSTRUÍDAS PARA TRATAMENTO DE

ÁGUA CINZA

CAMPO GRANDE

2009

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIAS AMBIENTAIS

LARISSA BEGOSSO

DETERMINAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROJETO E

CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO E CONFIGURAÇÃO

DE WETLANDS CONSTRUÍDAS PARA TRATAMENTO DE

ÁGUA CINZA

Dissertação apresentada para obtenção do grau de

Mestre no Programa de Pós-Graduação em Tecnologias

Ambientais da Universidade Federal de Mato Grosso do

Sul, na área de concentração em Saneamento Ambiental

e Recursos Hídricos.

ORIENTADOR: Profª. Drª. Paula Loureiro Paulo

Aprovada em:

Banca Examinadora:

Profª. Drª. Paula Loureiro Paulo

Orientadora – UFMS

Prof. Dr. Carlos Nobuyoshi Ide Prof. Dr. Luiz Fernando de Abreu Cybis

Instituição - UFMS Instituição - UFRGS

Campo Grande, MS

2009

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DEDICATÓRIA

As minhas

orientadoras, professores, velhos e novos amigos e

Toda minha família.

iii

AGRADECIMENTOS

A Professora Doutora Paula Loureiro Paulo, pela orientação fornecida durante a

elaboração deste trabalho.

A Fundação de Apoio à Pesquisa e ao Ensino de Mato Grosso do Sul - FUNDECT,

pela bolsa de estudo concedida.

A International Foundation for Science (IFS, concessão n

. W/4130-1), pelo

financiamento da pesquisa.

A todos os colegas, estagiários, professores e funcionários do Departamento de

Hidráulica e Transportes da UFMS e Laboratório de Qualidade Ambiental - LAQUA, pela

colaboração.

SUMÁRIO

DEDICATÓRIA..................................................................................................................ii

AGRADECIMENTOS.......................................................................................................iii

SUMÁRIO.......................................................................................................................... iv

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... v

LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... vi

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS.......................................................................vii

RESUMO .........................................................................................................................viii

ABSTRACT .......................................................................................................................ix

1. Introdução Geral ...................................................................................................... 2

1.1. Situação atual do Saneamento........................................................................... 2

1.2. Saneamento Ecológico – EcoSan ...................................................................... 2

1.3. Água Cinza.......................................................................................................... 2

1.4. Tratamento de Águas Residuárias..................................................................... 4

1.5. Tratamento de Água Cinza................................................................................. 4

1.6. Wetlands construídas (CW)................................................................................ 6

1.6.1.Wetlands construídas no Brasil .................................................................. 7

1.6.2.Funcionamento ........................................................................................... 8

1.6.3.Fluxos ......................................................................................................... 8

1.6.4.Vegetação ................................................................................................... 9

1.6.5.Substrato ................................................................................................... 10

1.6.6.Dimensionamento..................................................................................... 10

1.7. Legislação pertinente........................................................................................ 13

1.8. Uso de wetlands construídas para o tratamento de água cinza...................... 14

2. Configuração e Dimensionamento de Sistema Híbrido de Wetlands Construídas

para o Tratamento de Água Cinza ............................................................................. 16

Resumo ..................................................................................................................... 16

Palavras-chave......................................................................................................... 16

Abstract..................................................................................................................... 16

Key-words................................................................................................................. 16

2.1. Introdução......................................................................................................... 17

2.2. Material e Métodos........................................................................................... 19

2.2.1.Sistema Experimental............................................................................... 19

2.2.2.Critérios de dimensionamento.................................................................. 22

2.2.3.Operação e monitoramento do sistema..................................................... 22

2.2.4.Aspectos operacionais - Vazão................................................................. 23

2.2.5.Métodos analíticos.................................................................................... 23

2.2.6.Planejamento experimental....................................................................... 23

2.2.7.Tratamento dos resultados........................................................................ 23

2.3. Resultados e Discussões ................................................................................... 24

2.3.1. Características da água cinza: influência na razão DQO/DBO e sólidos 24

2.3.2.Influência do tempo de detenção de hidráulica ........................................ 26

2.3.3.Análise estatística ..................................................................................... 29

2.3.4.Performance global do sistema................................................................. 31

2.4. Conclusões........................................................................................................ 32

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................. 34

ANEXOS........................................................................................................................... 39

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Sistema de wetlands contruídos (CW).................................................................

FIGURA 2 - Wetland construído de fluxo subsuperficial horizontal (CW-FH).......................

FIGURA 3 - Wetland construído de fluxo vertical (CW-FV)..................................................

FIGURA 4 - Vazão média e composição percentual da água cinza.........................................

FIGURA 5 - Distribuição dos sólidos totais (%) para os 03 pontos de coleta.........................

FIGURA 6 - Variação da vazão e da ER-DQO para CW-FH, CW-FV e CW, conforme t

FIGURA 7 - Correlação entre ER-DQO (%) e TDH................................................................

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Principais fontes dos componentes da água cinza..............................................

TABELA 2 - Caracterizações de água cinza............................................................................

TABELA 3 - Vantagens e desvantagens dos wetlands construídos (CW)...............................

TABELA 4 - Eficiência de remoção por unidades e global do sistema híbrido.......................

vii

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

APHA American Public Health Association

Ce DBO do efluente, mg ℓ

-1

Co DBO do afluente, mg ℓ

-1

Cu Coeficiente de Uniformidade

Diâmetro efetivo

Diâmetro a 60%

E.coli Escherichia Coli

EVT Evapotranspiração

FIESP Federação das Indústrias do Estado de São Paulo

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia Estatística

IEA Instituto de Ecologia Aplicada

Constante de decaimento a 20°C

Constante de decaimento a 15°C

Ks Condutividade hidráulica saturada

Constante de reação da cinética de primeira ordem

n Porosidade

OMS Organização Mundial da Saúde

p Profundidade do substrato, m

pH Potencial Hidrogeniônico

pe pessoa

PNUD Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento

PVC Policloreto de Vinila

Q Vazão média no sistema, m

-1

SAD Demanda de aeração na superfície, adotado < 30 g O

-2

-1

Tempo de Funcionamento do Sistema Híbrido

TDH Tempo de Detenção Hidráulica, dias

UFMS Universidade Federal do Mato Grosso do Sul

UNICEF United Nations Children’s Fund

UNT Unidade Nefelométrica de Turbidez

USEPA U.S. Environmental Protenction Agency

WHO World Health Organization

viii

RESUMO

Begosso, L. (2009). Determinação de parâmetros de projeto e critérios para dimensionamento e configuração

de wetlands construídos para o tratamento de água cinza. Campo Grande, 2009. Dissertação (Mestrado) –

Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Brasil.

A determinação de critérios próprios para dimensionamento e configuração de wetlands

construídos (CW) tratando água cinza em unidades domiciliares é necessária, considerando os

ajustes requeridos para se alcançar à eficiência desejada sem que isto implique em uma difícil

operação e intensiva manutenção. O objetivo deste trabalho foi projetar um sistema de

tratamento compacto usando CW para tratar a água cinza de uma residência e determinar se

os critérios escolhidos para dimensionamento e configuração adotada foram apropriados.

Alguns dos critérios levados em consideração foram: remoção desejada da demanda

bioquímica de oxigênio (DBO

5,20

), sólidos suspensos totais (SST), substrato, controle de maus

odores e aspecto ornamental. O sistema foi composto por: caixa de gordura (CG), tanque de

sedimentação (TS), wetland construído de fluxo horizontal subsuperficial (CW-FH), sistema

intermitente de abastecimento (TI) e wetland construído de fluxo vertical (CW-FV). Os

resultados mostraram que a configuração sugerida, apesar de contrária ao usual e teoricamente

subdimensionada para a unidade vertical, proporcionou a eficiência desejada. A performance

global do sistema mostrou que a remoção de turbidez, SST, demanda química de oxigênio

(DQO) e DBO

5,20

alcançaram, em média, níveis acima de 90%, alcançando 98% para turbidez

e DBO

5,20

. Este sistema foi suscetível a picos de fluxos que deterioraram temporariamente o

desempenho do CW-FH, entretanto não afetaram o CW-FV que proveu ao sistema híbrido

estabilidade para enfrentar tal variação. O tempo de detenção hidráulica (TDH) para o CW-

FH na faixa de 1,9 dias garantiu a estabilidade do sistema completo. Vale ressaltar que as

unidades de pré-tratamento foram de fundamental importância para manter a estabilidade de

funcionamento, pois sua periodicidade de limpeza foi fato essencial para que não houvesse

problemas com mau odor e colmatação.

Palavras-Chave: Banhados, esgoto doméstico, sistema compacto.

ABSTRACT

Begosso, L. (2009). Determination of design parameters and criteria for design and configuration of constructed

wetlands for treatment of greywater. Campo Grande, 2009. Master Dissertation – Federal University of Mato

Grosso do Sul, Brazil.

It is necessary to determine proper criteria for design and configuration for constructed

wetlands (CW) treating greywater at household level, considering the required adjustments to

reach the aimed efficiency, ensuring a simple operation and non-intensive maintenance. The

aim of this work was to design a compact system using CW to treat greywater at household

level and determine whether the chosen criteria and adopted configuration were appropriate.

Some of the criteria taken into consideration were: removal of biochemical oxygen demand

(BOD

5,20

), total suspended solids (TSS), media (substrate), bad odour control and ornamental

aspect of the system. The system was composed of a grease trap (GT), sedimentation tank

(ST), a subsurface horizontal flow constructed wetland (HF-CW), intermittent feeding system,

and a vertical flow constructed wetland (VF-CW). The results showed that the suggested

configuration, in spite of being the opposite of the usually adopted and also that the calculated

VF-CW unit was undersized, provided the expected efficiency. The overall performance of

the complete system showed that the removal of turbidity, TSS, chemical oxygen demand

(COD) and BOD reached, in average, levels over 90% removal, reaching 98% for turbidity

and BOD. Such system was susceptible to peak flows that temporarily deteriorated the

performance of the CW-HF, however they did not affect the performance of the VF-CW

which ensured the overall stability to the hybrid system. These conditions were achieved

when a hydraulic retention time (HRT) of 1.9 days was kept for the CW-HF. It is worthy to

mention that the pre-treatment units were crucial to maintain the stability of the system

considering that the periodical cleaning was essential to avoid clogging and bad odour.

Key-words: wetlands, domestic sewage, compact system.

1. Introdução Geral

Há muitos séculos as atividades antrópicas vêm causando alterações no meio ambiente. O

crescimento da população humana tem acarretado um aumento crescente nas demandas dos

ecossistemas. O planeta está mudando através do desmatamento, agropecuária,

reflorestamento, urbanização e conseqüente alteração do ciclo hidrológico. Uma grande

resultante da ação antrópica é a alteração da quantidade e qualidade de nossos recursos

hídricos, pois embora a água seja um recurso renovável, a porção potável é limitada.

Problemas associados com a falta de água potável para consumo humano e corpos d’águas

poluídos são comuns em muitas cidades em países em desenvolvimento. Com a rápida

urbanização e a pressão crescente nos governos das cidades, que muitas vezes não tem

finanças adequadas como também recursos humanos para controlar os problemas, a crise da

água está se agravando diariamente.

1.1. Situação atual do Saneamento

Hoje, mais de 2,5 bilhões de pessoas não tem acesso a saneamento melhorado, ou seja, a

qualquer instalação sanitária que, de maneira higiênica, separe os dejetos humanos do meio

ambiente; e quase 1,2 bilhões de pessoas defecam ao ar livre (WHO e UNICEF, 2008). O

resto da humanidade depende de sistemas convencionais de saneamento, que se limitam a

sistemas baseados em redes de esgoto transportado com ajuda de muita água, ou de sistemas

de fossa séptica, que na maioria dos casos correspondem apenas a um sumidouro.

A precariedade dos serviços de saneamento no Brasil, onde apenas 75% da população

possuem saneamento melhorado, explicam o agravamento de enfermidades já controladas, o

ressurgimento de outras já erradicadas e o descompasso entre desenvolvimento econômico e o

quadro de saúde pública. Assim, o crescimento econômico do país não vem acompanhado de

melhorias de qualidade na prestação de serviços públicos, como pode ser visto nos estudos do

Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD, 2008).

De acordo com o IBGE (2008), no Brasil 73,6% dos domicílios, no ano de 2007, possuíam

rede coletora de esgoto ou fossa séptica mais sumidouro e, no Estado de Mato Grosso do Sul,

esse valor era de 24%. Em Campo Grande, capital do Mato Grosso do Sul, 60% da população

é atendida por rede coletora de esgoto, sendo que 100% do esgoto coletado é tratado.

1.2. Saneamento Ecológico – EcoSan

Saneamento Ecológico (em inglês, Ecological Sanitation - EcoSan) é um novo enfoque de

soluções para saneamento em uma sociedade, cujo paradigma é baseado nos caminhos

naturais dos ecossistemas e no ciclo fechado de materiais. As excretas humanas (fezes e urina)

bem como as demais águas residuárias domésticas são reconhecidas como um recurso e não

como um resíduo, que pode ser disponível para reuso. O reuso de águas residuárias bem como

a racionalização do uso de água potável é parte integrante e importante desse ciclo, pois

promove a preservação de águas de melhor qualidade para fins potáveis e reduzir a poluição

no meio ambiente, isso porque a água é um recurso precioso que não deveria ser usado para

transportar excretas, e, estas deveriam ser gerenciadas tão perto quanto possível da sua fonte.

De acordo com

Otterpohl (2001), o efluente sanitário gerado nas residências pode

ser

segregado em á

gua negra: efluente proveniente dos vasos sanitários (

fezes, urina e papel

higiênico); á

gua cinza: efluente sem contribuição dos

vasos sanitários; água marrom:

fezes; e água amarela: urina.

1.3. Água Cinza

Água cinza é a água residuária proveniente do uso de lavatórios, chuveiros, banheiras, pias de

cozinha, máquina de lavar roupa e tanque (Jefferson et al., 1999; Eriksson et al., 2002;

Ottoson e Strenström, 2003), contendo componentes decorrentes do uso de sabão e de outros

produtos para lavagem do corpo, roupas e limpeza em geral (Jefferson et al., 1999). Suas

características em termos de quantidade e composição variam de acordo com a localização,

nível de ocupação da residência, faixa etária, estilo de vida, classe social, costumes locais e

tipo de fonte de água cinza (NSW Health, 2002; Nolde, 1999).

A água cinza normalmente contém baixos níveis de nutrientes quando comparada à água

residuária comum proveniente de sistemas transportados por água. A Tabela 1 ilustra as

principais fontes dos componentes da água cinza.

Tabela 1 - Principais fontes dos componentes da água cinza.

Componente Fonte

Nitrogênio Alimentos processados na cozinha

Fósforo Detergentes e sabões contendo fosfato

Matéria Orgânica Resíduos de alimentos, óleos e gorduras, resíduos corporais

Matéria Inorgânica Produtos químicos e detergentes utilizados na limpeza

Cloretos Dissolução de sais como o cloreto de sódio

Óleos e graxas

São os óleos e gorduras utilizados no preparo de alimento, resíduos presentes

no corpo e nas roupas, oriundos da transpiração humana

Enxofre Sabões, detergentes e decomposição da matéria orgânica

Patógenos

Limpeza das mãos após o uso do toalete, lavagem de roupas, alimentos

contaminados com material fecal ou o próprio banho

De acordo com o levantamento realizado por Eriksson et al. (2002), a temperatura da água

cinza foi constatada variando dentro do intervalo de 18-38ºC, a turbidez de 15-240 UNT, os

sólidos suspensos totais (SST) de 17-330 mg ℓ

-1

, os sólidos totais (ST) de 113-2410 mg ℓ

-1

, e

o pH de 5,0-8,7. Em termos de matéria orgânica carbonácea, foram reportadas faixas de

valores de concentração variando entre 13-550 mg ℓ

-1

para demanda química de oxigênio

(DQO) e DBO de 90-360 mg ℓ

-1

; em termos de nutrientes, para nitrogênio total (NT) de 0,6-

74 mg ℓ

-1

, fosfato total (PO

) de 50-68 mg ℓ

-1

, nitrato (NO

) e nitrito (NO

) de 0,1-2,1 mg ℓ

-1

Neste mesmo estudo, em termos de contaminação bacteriológica a concentração de

Escherichia coli (E. coli) variou de 1,3.10

-2,5.10

NMP 100 mℓ

-1

. A Tabela 2 apresenta

caracterizações de água cinza, através de parâmetros físico-químicos e bacteriológicos, para

diversos casos.

Tabela 2 – Caracterizações de água cinza.*

Parâmetros Pansonato (2007)

Bazzarella (2005) Vaz (2009) Borges (2003)

pH 8,9 7,05 6,84 7,2

Turbidez (UNT) 479,5 166 89,82 37,3

Condutividade (µS cm

-1

) 461,0 430 - -

OD (mg O

ℓ

-1

) 5,00 6,5 - 4,62

DQO (mg O

ℓ

-1

)

1031,4 857 216,96 -

DBO

5,20

(mg O

ℓ

-1

) 487,14 571 130,83 96,33

(mg ℓ

-1

) 25,69 64,0 - -

SST (mg SST ℓ

-1

) 331,0 134 69,25 -

(mg ℓ

-1

) 21,15 9,0

(1)

0,97

(2)

6,24

(1)

NT (mg ℓ

-1

) 14,4 6,6

(3)

7,06

(3)

(mg ℓ

-1

) 0,05 0,46 0,07 -

(mg ℓ

-1

) 3,9 1,9 1,06 -

(mg ℓ

-1

) 0,105 0,09 0,01 -

E. coli (NMP 100 mℓ

-1

) 10

3,25x10

5,21x10

4x10

(1)

Fósforo total;

(2)

Ortofosfato;

(3)

NTK; * As amostras acima são compostas, isto é, provenientes do banheiro,

cozinha e lavanderia, feitas manualmente. A caracterização de Bazzarela corresponde a uma população de

Campus Universitário; Vaz a população de alto padrão; Borges de médio a alto padrão; e Pansonato de baixo

padrão, todas no Brasil.

Segundo Eriksson et al.

(2002), também contribuem para as

características da água

cinza a qualidade da água de abastecimento e o tipo

de rede de distribuição. Quanto a

DQO, como sua maior parte é derivada dos produtos químicos

utilizados nas

residências, espera-se

que seus níveis próximos aos do esgoto

doméstico convencional,

enquanto que para as concentrações de DBO esperam-

se valores mais baixos.

O reuso de água cinza pode, por exemplo, resultar em economia de água potável, economia

de energia elétrica e menor produção de efluente sanitário nas edificações. Em uma escala

maior, resulta em preservação dos mananciais de água, por diminuir a quantidade de água

captada e por reduzir o lançamento de esgoto sanitário pelas áreas urbanas. Os usos não

potáveis residenciais da água cinza são a lavagem de roupas, de carros, de calçadas, irrigação

de jardins, descarga de vasos sanitários, piscinas, combate a incêndios, preparo de concreto,

água para caldeira, agricultura, recarga de aqüíferos, etc. (Okun, 1997; Santala et al., 1998).

Dentre esses, a água cinza é mais comumente utilizada nas residências em descarga de vasos

sanitários e irrigação de jardins (Eriksson et al., 2002).

1.4. Tratamento de Águas Residuárias

A análise das características da água residuária, conjuntamente com os requisitos de

qualidade requeridos para a destinação final, geralmente define o

tipo de tratamento a ser

adotado. A escolha da tecnologia a ser utilizada deve ser feita considerando-se fatores como:

tipo de efluente; vazão; área disponível; custos (Lettinga, 1995; Chernicharo, 1997).

A concepção e a operação dos sistemas técnicos para gerenciamento da água cinza

dependem de uma série de fatores: clima, padrão de uso da terra, existência de sistemas de

drenagem e carga de poluição. A escolha do tratamento é também afetada pela maneira como

a água cinza é considerada pela comunidade. O melhor sistema deve, portanto ser encontrado

ponderando as condições locais e os potenciais riscos das opções alternativas (Winblad e

Simpson-Hébert, 2004).

1.5. Tratamento de Água Cinza

Partículas maiores, fibras e gorduras devem ser removidas na fonte para evitar entupimento

do encanamento. Ralos de pia de cozinha, chuveiros, banheiras, máquinas de lavar e outros

utensílios e aparelhos devem ser equipados com telas e filtros. Sem esse pré-tratamento as

gorduras e outros compostos orgânicos biodegradáveis irão entupir o sistema ou propiciar

maus odores. No pré-tratamento, os sólidos suspensos são removidos mecanicamente por

gravidade, telas ou filtros. A necessidade de remoção de sólidos em suspensão depende de

como a água será tratada e utilizada. O tanque séptico é uma técnica eficaz e confiável, que é

conveniente na maior parte dos sistemas de tratamento em zonas rurais, bem como em áreas

urbanas (Winblad e Simpson-Hébert, 2004).

O tratamento para água cinza pode variar de uma simples e grosseira filtração

(Marche et al., 2004) até um tratamento biológico avançado (Nolde, 2005). Estudos prévios

sugerem que se dê preferência aos processos biológicos, devido aos altos níveis de matéria

orgânica da água cinza (Nolde, 1999; Jefferson et al., 2004). Opções tecnológicas de

tratamento biológico para o reuso de água cinza incluem biorreator de membrana (Jefferson et

al., 2000; Lesjean e Gnirss, 2006), filtros rotacionais biológicos de contato (Nolde, 2005;

Friedler et al., 2005), grupo de reatores seqüenciais (Lamine et al., 2007) ou wetlands

construídas (CW, por sua denominação em inglês, constructed wetlands) (Dallas e Ho, 2005;

Gross et al., 2006; Li et al., 2003). Todos esses sistemas biológicos são capazes de atender a

demanda de 10 mg ℓ

-1

de DBO, mas a principal diferença entre essas tecnologias é o nível de

remoção de SST e microrganismos (Winward et al., 2008). Em comparação, processos físicos

diretos são comuns em escala muito pequena e tem se mostrado eficiente na remoção de

sólidos, mas são menos efetivos para remoção de microrganismos (Jefferson et al., 2004;

Ramon et al., 2004).

A mais avançada tecnologia de recuperação de água cinza utilizada é o tanque séptico (que

é, na realidade, um tratamento anaeróbio sem coleta do biogás gerado), com tratamento

aeróbio subseqüente que conduz a estabilização. Bazzarella e Gonçalves (2007) monitoraram

Estação de Tratamento de Águas Cinza (ETAC), cujo processo é baseado na associação de

um Reator Anaeróbio Compartimentado (RAC), de um Filtro Biológico Aerado Submerso

(FBAS), de um Filtro Terciário (FT) e de desinfecção à base de cloro. O tratamento adotado

apresentou elevada eficiência na remoção de turbidez, cor, DBO

5,20

, DQO e E. coli e

características compatíveis com diversos padrões estabelecidos para o reuso não potável.

De qualquer maneira, tratar biologicamente água cinza é um recurso que pode ser

finalizado com outra fase de tratamento, incluindo a desinfecção, como a cloração ou radiação

UV (Gulyas, 2007).

No condomínio ecológico Luebeck/Flintenbreite na Alemanha, um sistema

semi-centralizado de saneamento é operado em uma área periurbana desde o ano de 2000. O

tratamento biológico da água cinza, coletada separadamente, é operado intermitentemente em

um CW-FV, não apresentando qualquer problema operacional, obtendo baixas concentrações

de carbono orgânico total para o efluente (5 a 15 mg

ℓ

-1

; Li et al., 2003).

1.6. Wetlands construídas (CW)

Os CW são cópias artificiais, feitas pelo homem, dos wetlands naturais, que aperfeiçoam a

exploração dos ciclos biogeoquímicos que ocorrem normalmente nesses sistemas para fins de

tratamento de águas residuárias. Diferentes tipos podem ser distinguidos, com base em

características de fluxo da água e espécies vegetais. Outro benefício inclui a criação de um

novo habitat para a fauna e a flora. CW são conhecidas por terem uma elevada capacidade-

tampão. A qualidade do efluente é normalmente bastante estável. Por outro lado, os efeitos

adversos podem ser esperados em baixas temperaturas (em especial a inibição da remoção de

nitrogênio), pico de fluxo (lavagem dos sólidos) e entupimento do sistema. As porcentagens

de remoção são dependentes principalmente da temperatura, tempo de detenção hidráulico

(TDH) e a carga aplicada, e são muito diferentes entre si (Rousseau et al., 2008).

Os CW normalmente são vantajosos quando comparados aos sistemas convencionais de

tratamento. Algumas dessas vantagens são as possibilidades de baixo custo de construção,

operação e manutenção; pouco ou nenhum uso de energia elétrica; podem ser implementados

no próprio local onde a água residuária é gerada; são flexíveis e, resistem a variações de carga

sem muito comprometimento de sua eficiência (Hammer, 1989; Brix, 1993; Kadlec e Knight,

1996; Moshiri, 1998; Neralla et al., 2000; Platzer et al., 2007a; Shutes, 2001). Além disso,

podem ser integrados perfeitamente à paisagem natural (Platzer et al., 2007a) e o apelo

estético da presença de vegetação colabora para a redução nos índices de rejeição ao sistema

de tratamento de águas residuárias por parte da população (Zanella et al., 2007). Outras

vantagens e desvantagens podem ser observadas na Tabela 3.

Tabela 3 – Vantagens e desvantagens dos wetlands construídas (CW).

Vantagens Desvantagens

Baixo custo de construção Alta demanda de área

Fácil operação e manutenção Necessidade de substrato, como brita e areia

Remove satisfatoriamente matéria orgânica e

sólidos suspensos, nitrogênio e fósforo

Susceptível a entupimento dos espaços vazios do

substrato e salinização do solo

Considerável redução de patógenos Necessidade de manejo das macrófitas

Fonte: Adaptado de Chernicharo (2001).

Embora o dimensionamento adequado seja o fator fundamental para um bom

funcionamento, outros fatores devem ser levados em consideração. A exemplo disso, há o

material do leito filtrante, o pré-tratamento e a periodicidade de manutenção. Durante a rotina

de manutenção, o foco deve ser dado à limpeza das unidades de pré-tratamento já que a falta

de manutenção acarreta em má distribuição do afluente, formação de caminhos preferenciais e

entupimentos resultando, assim, em uma progressiva deterioração do desempenho do sistema

que muitas vezes pode se tornar irreversível (Rousseau, 2005). Kadlec et al. (2000), também

recomendam incluir estimativas da cobertura vegetal e observações sobre a saúde das plantas

como parte da rotina operacional de monitoramento.

1.6.1. Wetlands construídas no Brasil

No Brasil, esta modalidade de tratamento também recebe denominações como áreas alagadas

construídas, zona de raízes, leitos cultivados, sistemas alagados construídas (SACs) e

banhados construídas. Independente da denominação, a principal característica desse tipo de

tratamento é que são meios saturados ou mesmo inundados pela água. Apesar dos muitos

estudos que essa tecnologia de tratamento tem motivado, a grande maioria tem sido realizada

em realidades diferentes das encontradas no Brasil. As condições de clima

predominantemente tropicais do Brasil podem favorecer esse tipo de tratamento por duas

razões: a temperatura média mais alta aumenta a atividade microbiológica; e a maior

insolação faz com que as plantas se desenvolvam mais rapidamente e, conseqüentemente,

aumentam a perda líquida do sistema através da evapotranspiração, reduzindo

consideravelmente o volume de água residuária descartada após o tratamento (Toniato, 2005).

Os projetos desenvolvidos têm diferentes desenhos dependendo da sua finalidade. Existem

hoje no Brasil, implantadas várias estações de tratamento de efluente líquido utilizando

sistemas de CW que foram projetadas pelo IEA (Salati, 2003). Em geral, os projetos

executados podem ser divididos em 4 grandes categorias (IEA, 1997).

A experiência brasileira e internacional tem demonstrado que os sistemas de CW podem

ser utilizados para purificação de água em diversas situações, como segue:

• tratamento integral de efluente doméstico (Platzer, 2000);

• tratamento secundário (Nogueira et al, 2000) e terciário de efluente (Salati Filho et al.,

2000, Motta Marques et al., 2000);

• tratamento de efluente agrícola (casas de vegetação, recinto de animais e tanques de

peixes) e runoff (escoamento superficial) agrícola (Junsan et al., 2000);

• tratamento de runoff (escoamento superficial) urbano (Shutes et al., 2000);

• buffer (barreiras de retenção) para o controle da poluição difusa (Kao et al., 2000);

• tratamento de grandes volumes de água de rios atualmente classificados como classe 3

ou 4 para enquadramento em rios de Classe 2 (Stolberg e Vergeles, 2000; Manfrinato,

1989);

• tratamento de água de rios Classe 2 para abastecimento industrial e urbano (Elias et

al., 2000);

• recuperação de áreas alagadas com o intuito principal de aumento de biodiversidade e

conseqüente atividades de educação ambiental (utilização humana; Knight et al.,

2000).

1.6.2. Funcionamento

Conforme definição de Philippi e Sezerino (2004), CW podem ser definidos como um

ecossistema de transição entre ambientes terrestres e aquáticos. Os elementos que compõem

esse tipo de ambiente são: substrato (suporte físico e fixação microbiana), plantas (suporte de

microrganismos e transporte de oxigênio), regime hidráulico (tipo de escoamento) e fauna

(micro e macro organismos).

Os sistemas de CW podem se apresentar em configuração híbrida, também conhecida

como combinados, isto é, em uma associação em série e/ou paralelo de CW de diferentes

tipos de fluxo ou dimensionamento com a finalidade de combinar as vantagens e minimizar as

desvantagens de cada um deles. A combinação de diferentes CW oferece maior flexibilidade e

proporciona significativa melhor qualidade do efluente (Rousseau et al., 2004b; Gómez

Cerezo et al., 2001).

Nos sistemas onde os módulos de fluxo verticais são seguidos por módulos de fluxo

horizontal, o interesse é obter uma boa nitrificação nos filtros verticais, que são bem

oxigenados, e também uma desnitrificação nos filtros horizontais, onde se encontram

condições de anoxia necessárias a esta reação. Por outro lado, nos sistemas nos quais os

módulos horizontais são seguidos por módulos verticais, a idéia é que a DBO removida no

filtro horizontal possa prevenir interferência com a nitrificação no filtro vertical (Philippi e

Sezerino, 2004).

Um estudo realizado por Rousseau (2005) para o pós-tratamento de esgoto doméstico, em

um sistema híbrido em escala piloto (um CW-FV seguido por um CW-FH: wetland

construída de fluxo subsuperficial horizontal), o melhor desempenho do CW-FV foi atribuído

ao fato de que foi a unidade que recebeu a maior carga e, que, invertendo a ordem do wetland

naquele sistema híbrido resultaria na maior eficiência sendo encontrada no CW-FH.

1.6.3. Fluxos

Os CW empregados no tratamento de águas residuárias, são classificados de acordo com a

literatura, em dois grandes grupos: sistemas de lâmina livre ou de escoamento superficial (em

inglês, free water surface / surface flow) e sistemas de escoamento subsuperficial (em inglês,

subsurface flow) (Philippi e Sezerino, 2004). Também são divididos pela direção do fluxo:

horizontal e vertical.

Nos CW-FH, o oxigênio requerido é suprido pelas macrófitas e pela convecção e difusão

atmosférica (Philippi e Sezerino, 2004). A oxigenação está muito mais limitada, sendo que

dominam os processos anóxicos. Como vantagem principal deste está a possibilidade de

permitir sua alimentação sem o uso de bomba em locais que apresentem condições de

declividade de terreno favoráveis. O uso deste tipo de sistema limita-se ao tratamento de

efluentes com baixa carga orgânica, como água cinza (Platzer et al., 2007a), por exemplo, ou

implica na necessidade de recirculação dentro do sistema, que, segundo Brix (1994), melhora

o desempenho geral do sistema e aumenta 50% a remoção de nitrogênio por desnitrificação.

Nesta concepção de sistema, o efluente a ser tratado é disposto na porção inicial do leito,

geralmente composta por brita e denominada zona de entrada, e percola vagarosamente

através do leito filtrante até atingir a porção final, também composta por brita e denominada

zona de saída. Esta percolação tende a fluir na horizontal e é impulsionada por uma

declividade de fundo. Durante a percolação, o esgoto entrará em contato com regiões

aeróbias, anóxicas e anaeróbias. A camada aeróbia é mais evidente ao redor das raízes das

macrófitas (rizosfera), pois estas tendem a transportar oxigênio da parte aérea para a parte

submersa. Quando da passagem do efluente na rizosfera, ocorre uma depuração através de

processos físicos, químicos e, mais efetivamente, devido à degradação microbiológica. As

demais regiões – anóxicas e anaeróbias – ocorrem nas camadas mais profundas do leito

(Philippi e Sezerino, 2004).

No CW-FV a forma de aplicação intermitente promove um grande arraste de oxigênio

atmosférico para o substrato tornando-se, assim, suficiente para a degradação da matéria

orgânica e a oxidação da amônia (Cooper et al., 1996). A distribuição do efluente ocorre

numa área maior de entrada e o uso de volume de filtro é mais eficiente, resultando em uma

necessidade de área muito menor. O modelo pode ser aplicado para qualquer tipo de efluente,

sejam águas negras ou cinzas, efluentes sanitários ou industriais (Platzer et al., 2007a). Nele o

efluente é direcionado para a superfície plantada e percola através do substrato (usualmente

areia) até o sistema de drenagem localizado na base inferior do canteiro. As funções das

plantas emergentes são as mesmas já reconhecidas para o CW-FH.

1.6.4. Vegetação

O tratamento de águas residuárias por meio de CW tem também como característica

importante o uso de plantas, cientificamente definidas como macrófitas aquáticas vasculares,

estabelecidas em um substrato, que pode ser constituído de vários tipos de solos ou pedras. O

uso de plantas torna esse tipo de tratamento amigável esteticamente, quando comparado a

bases de concreto (Toniato, 2005). O cultivo de CW tem como benefício às diversas funções

das macrófitas aquáticas, podendo-se destacar a transformação de nutrientes, atuação nos

processos físicos, químicos e microbiológicos e remoção de nutrientes para seu próprio

crescimento. Elas oferecem resistência ao fluxo, aumentando o TDH, facilitam a

sedimentação de partículas suspensas (Gopal, 1999), favorecem uma grande superfície para o

desenvolvimento de microrganismos, incorporam ar pelas folhas e o transfere aos rizomas e

raízes repassando-o ao substrato, que pode apresentar-se em condições de anaerobiose por

estar submerso. Essa transferência de oxigênio aumenta a degradação aeróbia de compostos

orgânicos no local (Brix, 1997).

Os CW são sistemas projetados para utilizar plantas em substratos (areia, solo local ou

cascalho) onde, de forma natural e sob condições ambientais adequadas, pode ocorrer a

formação de biofilme, o qual agrega uma população variada de microrganismos, localizados,

principalmente, nas raízes (House e Broome, 1990).

1.6.5. Substrato

A escolha do substrato exige ampla experiência, pois este deve atender às condições de

hidráulica e de difusão da água residuária e dos gases que são liberados no processo de

tratamento, fixar eficientemente as bactérias e possibilitar a atividade e o crescimento de

bactérias úteis aos processos de tratamento (Rosseau, 2005). Pode ser usado como substrato:

solo, areia, brita (Metcalf e Eddy, 1991), silte, cascalho, pedrisco (Costa et al., 2003), casca de

arroz (Leopoldo et al., 1999), palha de café, pneu picado (Collaço, 2001) e bambu, dentre

outros. A grande maioria dos CW instalados na Europa e Estados Unidos utiliza como

substrato a brita e a areia lavada (Vymazal, 1998 e USEPA, 1999). O substrato deverá ser

colocado sobre uma proteção impermeável para evitar a contaminação do solo e eventual

infiltração até o lençol freático (Motta Marques, 1999; Salati Filho et al., 1999).

1.6.6. Dimensionamento

Esta alternativa tecnológica não está contemplada em normas técnicas brasileiras, o que

dificulta a uniformização dos parâmetros e critérios para seu dimensionamento. Na literatura

internacional, existem diversos modelos e critérios para projetá-los, sendo que grande parte

está voltada à remoção da carga orgânica. Dentre as mais pertinentes, Hammer (1989),

Conley et al. (1991) e Crites (1994) consideram os CW como reatores biológicos de biofilme

fixo, prevendo para estes uma remoção da matéria orgânica segundo a cinética de primeira

ordem, aplicável mais especificamente em CW-FH.

Lara Borrero (1999) e Nogueira (2003) alertam para a necessidade de estudo desses

sistemas em países em desenvolvimento com clima tropical, clima este muito diferente

daquele onde os CW foram originalmente concebidos.

Os CW-FV são empregados com a finalidade de promover nitrificação e, portanto, além da

cinética de primeira ordem, leva-se em conta o balanço de oxigênio necessário à manutenção

das condições aeróbias no interior da massa filtrante. Por se tratar de um processo baseado na

interação do substrato com as macrófitas, deve-se conhecer as propriedades físicas

(granulometria, diâmetro efetivo, coeficiente de uniformidade, condutividade hidráulica) e

químicas (teores de Fe, Ca, Mg, capacidade de troca catiônica - CTC) deste material, para se

conhecer a dinâmica da colmatação e vida útil do sistema, bem como utilizar macrófitas que

se adaptem a ele e ao clima da região (Sezerino e Philippi, 2003).

Dimensionamento e configuração de wetlands construídas para tratamento de água cinza,

normalmente, estão baseados em dados da literatura obtidos de wetlands operando com águas

residuárias domésticas não segregadas. Dados encontrados na literatura sugerem uma área de

0,5-3 m² por pessoa quando a escala é reduzida para uso domiciliar (Buenfil, 2004; Shrestha

et al., 2001; Jenssen et al., 2005). Porém, é muito importante determinar critérios próprios

para projeto e configuração para promover máxima eficiência e mínima manutenção, evitando

maus odores, entupimentos e assegurar a aceitação dos moradores da residência.

A relação m

por pessoa (m² pe

-1

) também é muito empregada como critério de

dimensionamento, notadamente para unidades residenciais. Faixas de aplicação encontram-se

variando de 1 a 5 m

-1

quando os CW-FH são empregados como tratamento secundário

precedidos, na maioria dos casos, de decanto digestores. Vymazal et al. (1998) indicam

valores na ordem de 1,6 m

-1

; Philippi et al. (1999), trabalharam com valores bem mais

elevados, da ordem de 6,8 m

-1

, porém trabalhando com efluente de características agro-

industriais. Sezerino e Philippi (2000), reduziram a área requerida para valores de 0,8 m

-1

para tratar efluente de uma residência padrão (5 pessoas), sem que a performance de

tratamento fosse afetada significativamente.

Para os CW-FH os modelos oriundos da cinética de primeira ordem, em termos de matéria

orgânica carbonácea, aplicável aos reatores tipo pistão são os mais amplamente utilizados

para prever a área superficial necessária para a promoção do tratamento secundário de águas

residuárias ou de baixa carga orgânica. Estes modelos, onde a taxa de remoção da DBO é

diretamente proporcional a sua concentração no meio, estão sendo utilizados para o

dimensionamento de CW-FH (Rousseau et al., 2004b).

Segundo Conley et al. (1991), Philippi e Sezerino (2004) e Rousseau et al. (2004a),

seguindo os modelos oriundos da cinética de primeira ordem, temos a Eq. (1):

npK

CeCoQ

××

−

)ln(ln

(1)

onde

A = área superficial requerida (m

);

Q = vazão afluente (m

-1

);

= concentração afluente em termos de DBO

5,20

(mg

ℓ

-1

);

= concentração efluente em termos de DBO

5,20

(mg

ℓ

-1

);

T =

constante de reação da cinética de primeira ordem (dependente da temperatura);

n = porosidade do substrato (m

vazios por m

material);

p = profundidade do maciço filtrante.

A constante K

pode ser convertida através de equações empíricas para a temperatura

desejada. Uma destas equações é a modificada por van’t Hoff-Arrhenius. Segundo Natural

Systems (1990) segue a Eq. (2):

06,1

−

×=

(2)

onde

= 1,28 (adotado);

T = 15ºC (temperatura crítica, ou seja, a temperatura local média dos meses mais frios).

Nota-se a partir da equação para a determinação de K

, que este valor pode variar

consideravelmente, interferindo, portanto na determinação da área requerida do filtro plantado

com macrófitas.

Determina-se então o volume do CW-FH pela Eq. (3):

pAV ×=

(3)

onde

V = volume;

A = área superficial requerida (m

);

p = profundidade.

O dimensionamento para CW-FV, conforme Johansen e Brix (1996), como uma segunda

etapa para a melhoria de uma unidade horizontal (CW-FH), cujo modelo é baseado no

balanço de oxigênio necessário a atividade de remoção da matéria orgânica e nitrificação,

pode ser determinada através da área requerida pelo cálculo da Eq. (4):

SAD

1000

= (4)

onde

A = área calculada para CW-FV (m

);

OD = demanda de oxigênio;

SAD = demanda de aeração na superfície (adotado < 30 g O

-2

-1

O valor do OD é determinado pela Eq. (5):

OD = (kg NH

-N d

-1

x 4,3 kg O

-1

-N) + (kg DBO

5,20

-1

x 1,0 kg O

-1

DBO

5,20

) (5)

onde

-N = concentração de NH

-N (kg d

-1

) da água residuária;

-N

-1

= concentração de oxigênio requerida para degradação do NH

-N (kg d

-1

);

DBO

5,20

= concentração de DBO

5,20

(kg d

-1

) da água residuária;

DBO

5,20

-1

= concentração de oxigênio requerida para degradação da DBO

5,20

(kg d

-1

Se o CW-FV possui 1 m de profundidade e é alimentado intermitentemente, pode se

esperar uma eficiência de nitrificação de 85% com este critério de dimensionamento

(Johansen e Brix, 1996). Experiências na Áustria mostraram que CW-FV com uma

profundidade de 0,6-0,8 m necessita de uma área específica de 4-5 m² pe

-1

para remoção de

DBO e nitrificação total durante todo ano (Vymazal et al., 1998). Cooper et al. (1996),

recomendam 1 m

-1

apenas para remoção de DBO e 2 m

-1

se for necessária a

nitrificação (a maioria das plantas chega a 0,5-0,8 m de profundidade). Grant (1995)

recomenda 0,8-2 m

-1

se o sistema for para menos que 100 pe.

Outro ponto importante que deve ser abordado na etapa de dimensionamento de CW, em

função do estabelecimento de estendes densos das macrófitas aquáticas e o calor nos meses de

verão, é a evapotranspiração, que gera uma perda de água acentuada, diminuindo o volume de

água contida no sistema. Essa perda de água implica aumento na concentração de poluentes

no sistema, mesmo que a eficiência seja efetiva em base de renovação de massa. Para

macrófitas aquáticas emergentes, a evapotranspiração pode variar de 1,3 a 3,5 vezes a taxa de

evaporação de uma superfície livre adjacente (Motta Marques, 1999).

Dados de evapotranspiração para CW são escassos, mas dados de uma plataforma natural

de Phragmites australis (Burba et al., 1999) mostrou taxas de evapotranspiração de

1,3-4,0 mm dia

-1

entre a fase inicial e de pico de crescimento; 1,8 mm dia

-1

no início e

próximo do final da senescência. Herbst e Kappen (1999) encontraram taxas de

evapotranspiração para um CW que excederam 10 mm dia

-1

durante um dia quente e

ensolarado. Maltais-Landry (2008) estimou, através da diferença entre a vazão de entrada e

saída, as taxas de evapotranspiração variando de 0-24 L m

-2

-1

1.7. Legislação pertinente

Cuidados específicos devem ser considerados para que não haja risco de contaminação. A

legislação brasileira não define padrões de qualidade para água de reuso domiciliar. A única

norma nacional identificada que aponta para padrões de qualidade de água para reuso é a

NBR 13969 (ABNT, 1997). Outro instrumento de orientação é o Manual de Conservação e

Reuso de água em Edificações da FIESP (FIESP, 2005).

Em nível internacional podemos citar como referência, as diretrizes da organização

mundial de saúde (OMS) que recomendam níveis máximos de contaminação bacteriológica

para reuso de água cinza. Para irrigações restritas o valor recomendado de E. coli é inferior a

NMP 100 mℓ

-1

, enquanto que para irrigações irrestritas deve ser inferior a 10

NMP

100mℓ

-1

(WHO, 2006).

No Brasil, tais diretrizes são representadas por legislações municipais, como a Lei nº.

10.785 de 2003, do município de Curitiba e a Lei nº. 6.345 de 2003 do município de Maringá,

ambas no Estado do Paraná. A Lei nº. 10.785/2003, do município de Curitiba, criou o

Programa de Conservação e Uso Racional da Água nas Edificações – PURAE, onde, em

artigo 1º., determina que o objetivo deste é instituir medidas que induzam à conservação , uso

racional e utilização de fontes alternativas para captação de água nas novas edificações, bem

como a conscientização dos usuários sobre a importância da conservação da água. Dentro

dessas ações de utilização de fontes alternativas estão compreendidas não só a captação,

armazenamento e utilização de água proveniente das chuvas, como também, a captação e

armazenamento e utilização de águas servidas (águas utilizadas no tanque ou máquina de

lavar e no chuveiro ou banheira); para as águas servidas o uso determinado é para descarga

em vasos sanitários. A Lei nº. 6.345/2003, do município de Maringá, muito semelhante à Lei

nº. 10.785 de Curitiba, também instituiu o programa de reaproveitamento de águas.

Outros municípios do País também adotaram essas mesmas premissas de utilização de

fontes alternativas de água, exemplificando, a Lei nº. 2.451/2005 do município de Diadema;

Lei nº. 7.216/2008 do município de Blumenau; Lei nº. 10.506/2008 do município de Porto

Alegre, entre outras que ainda estão em fase de aprovação.

1.8. Uso de wetlands construídas para o tratamento de água cinza

Existem poucos trabalhos disponíveis na literatura relacionados ao uso de CW para o

tratamento de água cinza. Gross et al. (2006), desenvolveram um sistema baseado em uma

combinação de um CW-FV com recirculação de água e um filtro biológico percolador,

alcançando bons resultados. O sistema removeu virtualmente os SST e aproximadamente 80%

de DQO, sendo que seus valores de concentração afluente eram 158 ± 30 e 466 ± 66 mg ℓ

-1

respectivamente. Recircular em CW parece ser um modo muito efetivo de melhorar a

transferência de oxigênio e evitar entupimento, mas aumenta o investimento e custo de

operação e manutenção, devido à necessidade do uso de bomba.

Niyonzima et al. (2007) projetaram no campus da Universidade de KNUST, em Kumasi,

Ghana, um CW-FH (3,5 x 0,8 x 0,8 m) precedido de um tanque de sedimentação

(3,65 x 0,65 x 0,4 m) para tratar a água cinza (0,48 m³ dia

-1

). O substrato escolhido foi areia

grossa (Ks = 368,78 cm³ dia

-1

) e a planta foi cattails (Typha latifólia). Com uma vazão média

de 0,33 m³ dia

-1

e um TDH de 15 horas e concentrações iniciais de DBO, DQO, SST,

respectivamente, alcançou eficiência de remoção entre 72-79% para os parâmetros

mencionados.

Paulo et al. (2007) estudaram a adaptação e operação de um CW-FH, cultivado com

Heliconia psittacorum L.F, Bromelia sp. e Cyperus isocladus (papyrus), projetado e

construída para um residência com 2 habitantes, para tratar a água cinza da cozinha e área de

lavanderia. Os resultados mostraram que as plantas escolhidas foram resistentes as condições

aplicadas, mas o longo tempo de armazenamento da água cinza causou formação de biofilme

e entupimento no tanque de armazenamento e na tubulação. A melhor performance obtida

ocorreu com o sistema operando com TDH em torno de 4 dias. Jenssen (2004) mostrou por

experiências na Noruega, que a técnica de pulverização em um filtro vertical com leito

filtrante de solo combinado com um horizontal de material filtrante de porosidade média, para

remoção de fósforo, é um sistema compacto e de baixa manutenção, que também constitui um

elemento paisagístico. Jenssen (2007), também estudou as concentrações de metais pesados,

bacteriófagos e de bactérias coliformes termotolerantes em quatro CW-FH na Noruega. Os

teores de metais pesados resultantes não mostram valores superiores a concentrações máximas

admissíveis em materiais orgânicos, por exemplo, biossólidos, utilizado em áreas cultivadas

(em conformidade com a regulamentação norueguesa). Os coliformes termotolerantes

também não excederam o limite permitido.

Nesse contexto, será exposta uma técnica utilizada no Ecosan para o tratamento de água

cinza em uma residência, considerando questões relativas ao dimensionamento, eficiência

de redução de concentração e remoção para carga orgânica e outros componentes da água

cinza Também serão abordadas questões a respeito da manutenção e adaptação do sistema

ao meio, assim como sua aceitação pelos moradores envolvidos no processo.

2. Configuração e Dimensionamento de Sistema Híbrido de Wetlands

Construídas para o Tratamento de Água Cinza

RESUMO

A determinação de critérios próprios para dimensionamento e configuração de wetlands construídas (CW) tratando água

cinza em unidades domiciliares é necessária, considerando os ajustes requeridos para se alcançar a eficiência desejada sem

que isto implique em uma difícil operação e intensiva manutenção. O objetivo deste trabalho foi projetar um sistema de

tratamento compacto usando CW para tratar a água cinza de uma residência e determinar se os critérios escolhidos para

dimensionamento e configuração adotada foram apropriados. Alguns dos critérios levados em consideração foram: remoção

desejada da demanda bioquímica de oxigênio (DBO

5,20

), sólidos suspensos totais (SST), substrato, controle de maus odores e

aspecto ornamental. O sistema foi composto por: caixa de gordura (CG), tanque de sedimentação (TS), wetland construída de

fluxo horizontal subsuperficial (CW-FH), sistema intermitente de abastecimento (TI) e wetland construída de fluxo vertical

(CW-FV). Os resultados mostraram que a configuração sugerida, apesar de contrária ao usual e teoricamente

subdimensionada para a unidade vertical, proporcionou a eficiência desejada. A performance global do sistema mostrou que a

remoção de turbidez, SST, demanda química de oxigênio (DQO) e DBO

5,20

alcançaram, em média, níveis acima de 90%,

alcançando 98% para turbidez e DBO

5,20

. Este sistema foi suscetível a picos de fluxos que deterioraram temporariamente o

desempenho do CW-FH, entretanto não afetaram o CW-FV que proveu ao sistema híbrido estabilidade para enfrentar tal

variação. O tempo de detenção hidráulica (TDH) para o CW-FH na faixa de 1,9 dias garantiu a estabilidade do sistema

completo. Vale ressaltar que as unidades de pré-tratamento foram de fundamental importância para manter a estabilidade de

funcionamento, pois sua periodicidade de limpeza foi fato essencial para que não houvesse problemas com maus odores e

colmatação.

Palavras-chave: banhados, esgoto doméstico, sistema compacto, sistema híbrido.

ABSTRACT

It is necessary to determine proper criteria for design and configuration for constructed wetlands (CW) treating greywater at

household level, considering the required adjustments to reach the aimed efficiency, ensuring a simple operation and non-

intensive maintenance. The aim of this work was to design a compact system using CW to treat greywater at household level

and determine whether the chosen criteria and adopted configuration were appropriate. Some of the criteria taken into

consideration were: removal of biochemical oxygen demand (BOD

5,20

), total suspended solids (TSS), media (substrate), bad

odour control and ornamental aspect of the system. The system was composed of a grease trap (GT), sedimentation tank

(ST), a subsurface horizontal flow constructed wetland (HF-CW), intermittent feeding system, and a vertical flow constructed

wetland (VF-CW). The results showed that the suggested configuration, in spite of being the opposite of the usually adopted

and also that the calculated VF-CW unit was undersized, provided the expected efficiency. The overall performance of the

complete system showed that the removal of turbidity, TSS, chemical oxygen demand (COD) and BOD reached, in average,

levels over 90% removal, reaching 98% for turbidity and BOD. Such system was susceptible to peak flows that temporarily

deteriorated the performance of the CW-HF, however they did not affect the performance of the VF-CW which ensured the

overall stability to the hybrid system. These conditions were achieved when a hydraulic retention time (HRT) of 1.9 days was

kept for the CW-HF. It is worthy to mention that the pre-treatment units were crucial to maintain the stability of the system

considering that the periodical cleaning was essential to avoid clogging and bad odour.

Key-words: wetlands, domestic sewage, compact system.

Este artigo será traduzido para o idioma inglês e submetido ao periódico WATER RESEARCH e foi redigido de

acordo com suas instruções.

2.1. Introdução

Saneamento Ecológico (em inglês, Ecological Sanitation - EcoSan) é um novo enfoque para o

saneamento baseado nos caminhos naturais dos ecossistemas e no ciclo fechado de materiais,

considerando as excretas humanas (fezes e urina) bem como as demais águas residuárias

domésticas como um recurso e não como um resíduo, disponível para o reuso. O conceito

EcoSan, sugere a segregação na fonte, onde a água cinza é a água servida que não possui

contribuição de efluentes de vasos sanitários, sendo proveniente do uso de lavatórios,

chuveiros, banheiras, pias de cozinha, máquina de lavar roupa e tanque (Jefferson et al., 1999;

Eriksson et al., 2002; Ottoson e Stenström, 2003). Contém componentes decorrentes do uso

de produtos para lavagem do corpo, roupas ou limpeza em geral (Jefferson et al., 1999), suas

características variam de acordo com a localização, nível de ocupação da residência, faixa

etária, estilo de vida, classe social, costumes e tipo de fonte de água (NSW Health, 2002;

Nolde, 1999). De acordo com o levantamento realizado por Eriksson et al. (2002), a turbidez

da água cinza varia de 15-240 UNT, a demanda química de oxigênio (DQO) entre

13-550 mg ℓ

-1

a DBO

5,20

de 90-360 mg ℓ

-1

; em termos de nutrientes, para amônia (NH

) de

0,05-25 mg ℓ

-1

OS tipos de tratamento utilizados para água cinza podem variar de uma simples filtração

(Marche et al., 2004), até um tratamento biológico avançado (Nolde, 2005). Devido aos altos

níveis de matéria orgânica da água cinza (Nolde, 1999; Jefferson et al., 2004) normalmente

são adotados processos biológicos, como por exemplo, biorreator de membrana (Jefferson et

al., 2000; Lesjean e Gnirss, 2006), filtro rotacional biológico de contato (Nolde, 2005;

Friedler et al., 2005), grupo de reatores seqüenciais (Lamine et al., 2007), ou wetlands

construídas (Dallas e Ho, 2005; Gross et al., 2006; Li et al., 2003).

Os wetlands construídas (CW, por sua denominação em inglês, constructed wetlands)

normalmente são vantajosos quando comparados aos sistemas convencionais de tratamento,

pois para estes há a possibilidade de construção, operação e manutenção de baixo custo com

pouco ou nenhum uso de energia elétrica além de poderem ser instalados no próprio local

onde a água residuária é gerada (Hammer, 1989; Brix, 1993; Kadlec e Knight, 1996; Moshiri,

1998; Neralla et al., 2000; Platzer et al., 2007a). Também são flexíveis e resistem a variações

de carga orgânica e hidráulica sem muito comprometimento de sua eficiência (Shutes, 2001),

podendo também ser integrados à paisagem natural (Platzer et al., 2007a).

Além do dimensionamento adequado, fatores como: i) escolha do substrato, ii) pré-

tratamento e, iii) a periodicidade de manutenção, devem ser levados em consideração.

Durante a rotina de manutenção o foco deve ser dado à limpeza das unidades de pré-

tratamento já que a falta de manutenção acarreta em má distribuição do afluente, formação de

caminhos preferenciais e entupimentos (Rousseau, 2005). Os sistemas de CW podem se

apresentar em configuração híbrida, também conhecida como combinados, isto é, uma

associação em série ou paralelo de CW de diferentes tipos de fluxo ou dimensionamento com

a finalidade de combinar as vantagens e minimizar as desvantagens de cada um, assim

oferecendo maior flexibilidade e proporcionando significativa melhora na qualidade do

efluente (Rousseau et al., 2004b; Gómez Cerezo et al., 2001).

Em sistemas de CW onde o wetland construída de fluxo vertical (CW-FV) é instalado em

série com um wetland construída de fluxo subsuperficial horizontal (CW-FH), espera-se

nitrificação satisfatória no primeiro estágio, que é bem oxigenado, e desnitrificação no

segundo, devido às condições de anoxia presentes que são necessárias a esta reação. Para um

sistema onde o CW-FH é seguido pelo CW-FV, a idéia é que a DBO removida no primeiro

estágio possa prevenir interferências no processo de nitrificação no segundo (Philippi e

Sezerino, 2004).

Rousseau (2005), em um sistema híbrido em escala piloto para o pós-tratamento de esgoto

doméstico (um CW-FV seguido por um CW-FH), obteve remoções de 74% para SST, de 80-

90% para DQO e, com 65% de nitrificação, obteve concentração de NH

no efluente de 10

mg ℓ

-1

Gross et al. (2006) desenvolveu um sistema baseado em uma combinação de um CW-FV

com recirculação e um filtro biológico percolador, alcançando bons resultados. O sistema

removeu virtualmente todos os SST e aproximadamente 80% de DQO, sendo que as

concentrações afluentes era respectivamente 158 e 839 mg ℓ

-1

em média. Recircular em CW

parece ser um modo muito efetivo de melhorar a transferência de oxigênio e evitar

entupimento, mas aumenta o investimento e o custo de operação devido à necessidade do uso

de bomba.

Os wetlands construídas ainda não estão contemplados nas normas técnicas brasileiras, o

que dificulta a uniformização dos parâmetros e critérios para seu dimensionamento. Na

literatura internacional existem diversos modelos e critérios para projetá-los, sendo que

grande parte está voltada à remoção da carga orgânica. Para os CW-FH os modelos oriundos

da cinética de primeira ordem, em termos de matéria orgânica carbonácea, aplicável aos

reatores tipo pistão, são os mais amplamente utilizados para prever a área superficial

necessária para a promoção do tratamento secundário de águas residuárias ou de baixa carga

orgânica (Conley et al., 1991; Philippi e Sezerino, 2004; Rousseau et al., 2004). Para os CW-

FV, como são empregados com a finalidade de promover nitrificação, além da cinética de

primeira ordem leva-se em conta o balanço de oxigênio necessário à manutenção das

condições aeróbias no interior da massa filtrante (Johansen e Brix, 1996, Platzer, 1999).

O objetivo deste trabalho foi determinar critérios para configuração e dimensionamento de

um compacto sistema híbrido de wetlands construídas cultivados com plantas ornamentais

para o tratamento domiciliar de água cinza.

2.2. Material e Métodos

O estudo foi realizado em uma residência com 9 moradores, situado em uma área de

comodato da Prefeitura Municipal de Campo Grande, localizada no bairro Jardim Aero

Rancho, MS, Brasil.

As unidades do sistema híbrido de CW foram instaladas em série, nas dimensões,

declividades e seqüência apresentadas nas Figuras 1, 2 e 3, para tratar água cinza (chuveiro,

pia da cozinha e tanque). Para a quantificação da água cinza produzida na residência foram

instalados três hidrômetros de 1,5m

-1

(multijato Actaris

) nas tubulações de água que

servem a pia da cozinha, o banheiro (chuveiro) e o tanque de lavar roupas. Para efeito de

cálculos considerou-se taxa de retorno de 100%.

2.2.1. Sistema Experimental

O sistema completo (Fig. 1) foi composto por: a) caixa de gordura TIGRE (CG; somente para

a pia da cozinha), b) tanque de união (TU), c) tanque de sedimentação (TS; 250 ℓ), d) wetland

construída de fluxo subsuperficial horizontal (CW-FH; 1860 ℓ), e) tanque de alimentação

intermitente (TI; sistema hidromecânico) e f) wetland construída de fluxo vertical (CW-FV;

2000 ℓ).

Uma piscina de fibra de vidro retangular (Fig. 2) foi utilizada para o CW-FH (dimensões

de 1,6 m x 2,9 m x 0,6 m). A mesma foi preenchida com 50 cm (altura) de pedrisco

= 7,5 mm; Cu = D

= 1,5; Ks = 3,6.10

-3

m s

-1

; n = 44%), enquanto as zonas de

entrada e saída foram preenchidas com brita nº. 0. Dois piezômetros foram instalados

próximos a zona de entrada e saída para monitoramento do nível e coleta de amostras, quando

necessário. O nível hidráulico dentro do reservatório foi mantido em 40 cm de altura, mas

poderia ser variado através da utilização de um sifão flexível situado na saída do sistema. A

tubulação de entrada, de 50 mm de diâmetro, foi perfurada (ø = 1 cm; alinhados e espaçados 5

cm entre si), e voltados para cima para o efluente ser distribuído igualmente ao longo do cano,

localizado na borda superior. A tubulação de saída, de 50 mm de diâmetro, foi perfurada (ø =

1 cm; alinhados e espaçados 5 cm entre si), e voltados para baixo. Portanto, na entrada e na

saída foram colocados tubos de 1,5 m de comprimento.

Fig. 1 - Sistema híbrido de wetlands construídas (CW). Detalhe com ampliação da

canalização interna do tanque de sedimentação (TS).

As plantas ornamentais foram selecionadas de acordo com estudos prévios e literatura

disponível (Paulo et al., 2007; Asmus et al., 2007; Lorenzi e Souza, 2001). As espécies

selecionas para o CW-FH foram Heliconia psittacorum L.F. (popularmente conhecida como

heliconia ou andrômeda), Cyperus isocladus (popularmente conhecida como mini-papiro) e

Canna sp (popularmente conhecida como Beri).

Fig. 2 - Wetland construída de fluxo subsuperficial horizontal (CW-FH). Camadas de

substrato: pedrisco (1) e brita zero (2).

a b

a - CG

b - TU

c - TS

d - CW-FH

e - TI

f - CW-FV

O tanque utilizado para o CW-FV foi uma caixa d’água de 2000 ℓ (d

= 1,70 m;

= 1,50 m; h = 1 m, sucessivamente: diâmetro superior; diâmetro inferior e altura), sendo

preenchido por camadas (do fundo até o topo) de brita nº. 0 (20 cm), pedrisco (10 cm), areia

grossa (60 cm; D

= 0,85 mm, Cu = D

= 2,43; Ks = 4.10

-4

m s

-1

; n = 40%) e pedrisco

novamente (5 cm).

O efluente do CW-FH aplicado intermitentemente no CW-FV é distribuído na sua

superfície através de uma tubulação de PVC de 25 mm de diâmetro em forma de “espinha de

peixe”, perfurada (ø = 6 mm; alinhados e espaçados 8,5 cm entre si). A tubulação coletora do

efluente (drenagem do fundo) com 32 mm de diâmetro foi perfurada (ø = 6 mm; voltados para

baixo, alinhados e espaçados 4 cm entre si), também em forma de “espinha de peixe”.

Fig. 3 - Wetland construída de fluxo vertical (CW-FV). Camadas de substrato: pedrisco

(1), brita zero (2) e areia grossa (3).

Para o CW-FV as espécies selecionadas foram Arundina bambusifolia (conhecida como

orquídea bambu) e Alpinia purpurata (conhecida como alpínia ou gengibre vermelho).

O pedrisco e a brita zero, utilizados como substrato, provém de rocha basáltica, já a areia

grossa é proveniente do leito do Rio Paraná. A porosidade foi quantificada no laboratório de

solos da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS), campus Campo Grande,

empregando-se proveta graduada de 1 ℓ de volume e água destilada. A condutividade

hidráulica saturada (Ks) foi determinada baseando-se nos princípios da Lei de Darcy e

utilizando-se permeâmetro vertical, constituído de uma coluna de PVC de 1 m de altura e 75

mm de diâmetro.

2.2.2. Critérios de dimensionamento

A configuração do sistema foi baseada nos seguintes critérios: i) remoção de sólidos

suspensos; ii) evitar problemas de odor e entupimento e; iii) propor um sistema compacto.

Para obter o desempenho esperado foi proposta a configuração ilustrada (Fig. 3).

As dimensões do sistema foram baseadas na vazão média (700 ℓ dia

-1

) e na concentração

de DBO

5,20

(500 mg ℓ

-1

) determinados na caracterização realizada por Pansonato et al. (2007).

O CW-FH foi dimensionado baseado na área superficial requerida (Conley et al., 1991;

Rousseau et al., 2004a) para uma remoção de 67% de DBO

5,20

O dimensionado do CW-FV foi baseado no balanço de oxigênio requerido para remover a

DBO

5,20

remanescente e reduzir a concentração de NH

(NH

) presentes no efluente do CW-

FH. Caso este CW-FV possuísse 1 m de profundidade, esperar-se-ía uma eficiência de

nitrificação de 85% com este modelo de dimensionamento (Johansen e Brix, 1996). Os

cálculos efetuados para tal modelo de dimensionamento foram efetuados utilizando-se o valor

da concentração de NH

em vezdo íon NH

, pois é este o parâmetro usualmente analisado em

laboratório e encontrado na literatura, como também, pela ínfima diferença quando da

conversão da unidade da concentração para k dia

-1

, necessária ao equacionamento em questão.

2.2.3. Operação e monitoramento do sistema

A operação do sistema foi iniciada em 23 de fevereiro de 2008, após seu plantio. Inicialmente,

seu funcionamento se deu apenas com água, para a adaptação das plantas e aclimatação das

raízes. Esta adaptação teve a duração de um mês, sendo que para o CW-FH, houve a variação

de sua altura da água (nível de água) reduzindo-se 10 cm a cada semana, e para o CW-FV foi

feita a rega diária. A efetiva “partida” do sistema, ou seja, a alimentação com água cinza foi

efetivada em 22 de março de 2008, com nível hidráulico em 40 cm, para o CW-FH.

Para o monitoramento do sistema foram coletadas amostras entre as 7:30h e 8:30h da

manhã, no período de 14 de abril a 15 de dezembro de 2008, em 03 pontos: após o TS (P1),

após o CW-FH, isto é, dentro do TI (P2) e após o CW-FV (P3). As amostras foram coletadas

duas vezes por semana para alguns parâmetros (ST, SST, pH, T, turbidez, condutividade e

DQO) durante os 03 primeiros meses e, posteriormente, uma vez por semana. Os parâmetros

analisados foram: sólidos totais (ST), sólidos suspensos totais (SST), pH, temperatura,

turbidez, condutividade e demanda química de oxigênio (DQO), nitrogênio total (NT), nitrato

(NO

), nitrito (NO

), amônia (NH

), fosfato total (PO

-3

), coliformes totais (CT), Escherichia

coli (E. coli), cloretos (Cl

), oxigênio dissolvido (OD) e demanda bioquímica de oxigênio

(DBO

5, 20

Em 2009, as coletas foram reiniciadas em 04 de março para o monitoramento dos seguintes

parâmetros: pH, temperatura, condutividade, CT, turbidez, NT, PO

-3

, E. coli, DQO, SST, ST,

sendo que os últimos 4 parâmetros foram considerados para avaliação no presente trabalho.

2.2.4. Aspectos operacionais - Vazão

Não houve controle no fluxo de entrada visando avaliar o desempenho do sistema sob

condições reais e eventuais picos de carga orgânica e hidráulica. Foram realizadas coletas

simples e considerou-se, para efeitos de cálculo de eficiência de remoção de parâmetros e

redução de concentração, que o sistema era estável (coletas de entrada e saídas na mesma data

e horário). Assim, não houve amortecimento no fluxo de entrada do sistema.

2.2.5. Métodos analíticos

Os métodos de amostragem e analíticos foram referenciados pela publicação “Standard

Methods for the Examination of Water and Wastewater”, 21ª edição (APHA, 2005), sendo

realizadas no Laboratório de Qualidade Ambiental (LAQUA), da Universidade Federal de

Mato Grosso do Sul - UFMS.

2.2.6. Planejamento experimental

Para a avaliação da eficiência de remoção do sistema experimental, visando o adequado

tratamento estatístico e otimização dos resultados obtidos, foram selecionadas algumas

variáveis independentes. Para a avaliação do CW-FH foram selecionados o TDH

(representando a vazão) e a eficiência de remoção de DBO

5,20

-DBO

5,20

; representando a

carga orgânica). Para o CW-FV e sistema híbrido completo as variáveis foram a E

-DBO

5,20

e tempo de funcionamento do sistema híbrido (t

), que significa a operação do sistema ao

longo do tempo.

2.2.7. Tratamento dos resultados

A partir dos resultados obtidos, foram feitos tratamentos estatísticos para sua interpretação

comparativa, visando à obtenção de equações de regressão que descrevam a resposta

experimental do sistema, com foco para sua eficiência de remoção.

O tratamento estatístico dos dados obtidos foi feito com auxílio de ferramenta

computacional da empresa StatSoft Inc., o software STATISTICA

, versão 5.1, edição 1998.

2.3. Resultados e Discussões

Normalmente, os parâmetros utilizados para o dimensionamento de CW são área requerida,

profundidade, TDH, vazão média e DBO. Os modelos oriundos da cinética de primeira

ordem, em termos de matéria orgânica carbonácea, aplicável aos reatores tipo pistão são os

mais amplamente utilizados para prever a área superficial necessária para a promoção do

tratamento secundário de águas residuárias ou de baixa carga orgânica. Estes modelos, onde a

taxa de remoção desta DBO é diretamente proporcional a sua concentração no meio, estão

sendo utilizados para o dimensionamento de CW-FH (Conley et al., 1991; Philippi e Sezerino,

2004; Rousseau et al., 2004a). O dimensionamento de CW-FV conforme Johansen e Brix

(1996), como uma segunda fase para a melhoria de uma fase horizontal (CW-FH), adotam o

modelo baseado no balanço de oxigênio necessário a remoção da matéria orgânica e

nitrificação.

2.3.1. Características da água cinza: influência na razão DQO/DBO e sólidos e adequação

do pré-tratamento

Considerando que o volume e características da água cinza de uma residência variam bastante

de acordo com as atividades e hábitos dos moradores, dimensionar um sistema eficiente e

compacto é, de certo modo, difícil. Tal fato pode ser observado na Fig. 4, que mostra a

variação média da vazão da água cinza, para um período de 30 dias, e suas respectivas fontes

de geração (porcentagem) de janeiro de 2008 a julho de 2009.

As frações de água cinza provenientes da lavanderia e cozinha variaram na mesma

proporção, ao longo do período monitorado, apresentado variação de até o dobro e 1,5 vezes

sua proporção, respectivamente. A fração do chuveiro apresentou variação em torno de 3

vezes sua proporção para todo o período monitorado, ressaltando que o acentuado declive em

05/2008 foi proveniente de defeito no chuveiro. No entanto, a variação da proporção das

parcelas componentes da água cinza não apresentou correlação com a razão DQO/DBO,

parâmetro importante quando se trata da aplicação de tratamento biológico.

O valor obtido

para esta relação, para a água cinza gerada na residência, no período de 2008 a 2009, foi

de 1,7 ± 0,5, ou seja,

uma relação de aproximadamente 2:1 (DQO/DBO < 2).

Essa relação

vem ao encontro das indicações de Souza (1982) e Braile e Cavalcanti (1993), que, de forma

simplificada, consideram um resíduo facilmente biodegradável quando a relação DQO/DBO é

menor que 2. No estudo desenvolvido por Sezerino (2006) a relação DQO/DBO obtida pelo

autor foi de 1,32. De acordo com Del Porto e Steinfeld (2000), a água cinza com relação

DQO/DBO de 1,1 é considerada facilmente biodegradável. No entanto, outros estudos

indicam uma baixa biodegradabilidade da água cinza com a relação DQO/DBO variando de

2,9 a 3,6 (Al-Jayyousi, 2003; Jefferson et al., 2004). Normalmente a alta relação DQO/DBO

advém das águas de lavagem provenientes das ma

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun *Jul

100

200

300

400

500

600

700

V (ℓ dia

-1

)

Lavanderia

Cozinha

Chuveiro

Volume Médio

Fig. 4 – Volume médio (eixo direito) e composição da água cinza (eixo esquerdo). O mês

de janeiro corresponde ao período entre 16/12/2008 e 03/02/2009 e julho até 16/07. A

borda vermelha destaca o ano de 2009.

A relação DQO/DBO para os três pontos de amostragem (P1, P2 e P3) durante o período

monitorado em 2008 foi de 1,7 ± 0,5; 2,1 ± 0,6 e 6,7 ± 5,0 para os pontos 1, 2 e 3,

respectivamente, mostrando-se maior após cada unidade de tratamento. Isto deve ser levado

em consideração se a água cinza for reusada na irrigação e na escolha das plantas utilizadas

nos CW, considerando que as características possam causar efeitos negativos, quando em alta

concentração, para solo e plantas.

Outro parâmetro que reflete a relação DQO/DBO é representado pela variação da

composição dos ST. Foi observado que houve o aumento da proporção de SDT em relação

aos SST após cada unidade de tratamento, já que os SDT representam a fração da água cinza

não biodegradável representada por substâncias inorgânicas e coloidais presentes nos

produtos de higiene pessoal (Morel e Diener, 2006; Eriksson et al., 2002). Esta relação pode

ser observada na Fig. 5 que apresenta a distribuição dos ST em cada unidade do sistema

durante sua operação.

100

1 2 3

Ponto de amostragem

SDT

SST

Fig. 5 - Distribuição dos ST (%) para os 3 pontos de coleta (ST = SDT + SST).

O aumento da proporção de SDT após cada unidade de tratamento comprova o aumento da

relação DQO/DBO anteriormente citada. Isto, provavelmente, ocorre devido às substâncias

coloidais e inorgânicas presentes em produtos de limpeza e de cuidados pessoais (Morel e

Diener, 2006; Eriksson et al., 2002).

De acordo com Phillipi e Sezerino (2004), para alcançar um desempenho estável em um

sistema compacto, é preciso, ou controlar a vazão de entrada ou utilizar um sistema para pré-

tratamento, como tanque séptico ou tanque de sedimentação. Neste estudo foi proposto um

tanque de sedimentação com TDH de 3,3 horas para acomodar a variação da composição da

água cinza (equalizar) e permitir a decantação dos sólidos mais grosseiros. A utilização deste

foi imprescindível para o sistema, evitando, quando mantida a manutenção apropriada, a

colmatação na entrada do CW de fluxo horizontal. Tal fato pode ser confirmado com a

avaliação da carga orgânica de entrada que aumentava bruscamente quando a limpeza desta

unidade era executada tardiamente. Após esta observação, com a determinação de

periodicidade quinzenal para a limpeza desta, foi possível obter certo controle da carga

afluente no sistema. Caso fosse utilizado um tanque séptico no lugar do TS seria possível

reduzir a freqüência de limpeza. No entanto, esta alternativa poderia acarretar emanação de

maus odores tendo em vista a condição anaeróbia do efluente, que seria inconveniente devido

à proximidade do sistema à residência.

2.3.2. Influência do tempo de detenção de hidráulica

Tendo em vista a importância relatada quanto ao TDH nos CW de fluxo horizontal e a larga

faixa de variação de vazão da água cinza que entra no sistema, o parâmetro TDH será

discutido como parâmetro de projeto. No dimensionamento do CW-FH foi preconizada uma

remoção de DBO

5,20

de 67% e o TDH obtido foi de 1,2 dias. Durante os 446 dias

monitorados, os resultados mostraram uma variação do TDH de 1,9 ± 0,9 dias, sendo que os

valores máximo e mínimo encontrados foram 4,7 e 0,8 dias, respectivamente. A literatura

recomenda que o valor do TDH varie entre 3 e 7 dias para água cinza (Morel e Diener, 2006).

Assim, foram observados 3 períodos distintos (Fig. 6) durante o período monitorado através

da avaliação da E

-DQO.

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

3 27 38 45 52 62 73 80 89 103 117 131145 159187 208 222236 248334 348 376389 404433 446

(dias)

Q (ℓ dia

-1

)

100

Q (ℓ dia-¹)

CW-FH

CW-FV

Fig. 6 - Variação da vazão (eixo y primário) e da E

-DQO para CW-FH, CW-FV e CW

(eixo y secundário), conforme t

. Para o período de t

entre 249 e 403 não houve

coleta de amostras no ponto intermediário, P3.

O 1º período correspondeu ao t

igual a 90 dias, onde um TDH baixo afetava, isto é,

reduzia a E

do CW-FH e, uma seqüência de TDHs baixo (t

entre74 e 87 dias) afetava este

e também o CW-FV, resultando na redução da E

global. No 2º período, t

entre 101 e 108,

uma sucessão de TDHs baixo implicou na redução da E

do CW-FH mas passou a não mais

prejudicar o CW-FV, que passou a manter sua média de E

-DQO acima de 80%. Para a E

DQO global essa porcentagem manteve-se acima de 90%. Com isto, podemos considerar que

os primeiros noventa dias de operação do sistema híbrido corresponderam a uma fase de

adaptação.

O TDH também interfere no número de aplicações (nA) efetuadas pelo tanque intermitente

no CW-FV. O nA não interferiu na E

-DQO do CW-FV como era esperado já que o intervalo

entre as aplicações é de fundamental importância para o bom desempenho desta unidade. A

aplicação intermitente aliada à rápida infiltração do efluente a ser tratado tende a criar um

gradiente de entrada de ar atmosférico, via convecção e difusão, suficiente para promover a

oxidação do carbono e da amônia a nitrato (Platzer, 1999).

É importante salientar que o nA foi estimado, pois a configuração de funcionamento

hidromecânico do TI impossibilitava o controle do volume a cada aplicação. Enquanto uma

aplicação era efetuada, isto é, durante a execução do sifonamento, como se trata de um

sistema contínuo, o efluente do CW-FH continuava entrando no TI e sendo imediatamente

aplicado. Assim sendo, uma aplicação pode ter correspondido a uma carga hidráulica maior

que apenas o volume do tanque.

A redução da concentração de NH

no CW-FV variou de acordo com o nA. Tal variação

mostrou-se discreta, devido à baixa concentração de nitrogênio na água cinza. Mesmo com

esta interferência, ambas as unidades do sistema promoveram a nitrificação, fato este

comprovado pelo acréscimo da concentração de NO

, resultando em um efluente com

concentração maior que a afluente. A ocorrência de desnitrificação no CW de fluxo

horizontal, não era esperada dentro da configuração adotada, combinada com o baixo TDH e

a forma que o nitrogênio entra no sistema, isto é, na forma orgânica (N

org

). A hipótese é que,

devido à configuração do sistema, não há tempo suficiente e condições ambientais para que

todo o Norg que foi convertido a NH

no CW-FH também fosse convertido a NO

desnitrificado. Mesmo com o acréscimo de NO

, principalmente no CW-FV, o efluente

apresentou concentração média de 0,4 mg ℓ

-1

e valor máximo de 1,9 mg ℓ

-1

Platzer (1999) ressalta que se deve manter a Taxa de Aplicação (Ta) no CW-FV em

valores inferiores a 0,25 m³ m

² d

-1

(250 ℓ m

-2

-1

) e a carga de nitrogênio afluente inferior a

6,5 g NTK m

-2

-1

. Estudos semelhantes realizados em colunas preenchidas com areias

comprovam que a oxidação da amônia a nitrato (nitrificação) pode ocorrer

concomitantemente com a redução da DQO (Felde e Kunst, 1997; Sezerino, 2002). Felde e

Kunst (1997) reforçam ainda que com uma aplicação intermitente (duas vezes ao dia, sob uma

taxa de 80 mm d

-1

), cerca de 90% da amônia é oxidada a nitrato nos primeiros 20 cm do leito

filtrante.

Segundo Morel e Diener (2006), o nível, ou seja, grau de eficiência do tratamento é

determinado pelo TDH no CW-FH. TDH para água cinza estão normalmente variando de 3-7

dias, com Ta de 5-8 cm d

-1

e taxa orgânica de aplicação de 6-10 g DBO m

-2

-1

. Dependendo

da vazão de água cinza e devido às altas Ta, um CW-FH requer 1-3 m

de área por pessoa.

Provavelmente estes valores sugeridos aplicam-se a sistemas comuns, ou seja, composto

apenas de 1 CW-FH pois são extremamente baixos. Para a Ta média observada de

0,5 m³ m

² d

-1

no CW-FH e 0,2 m³ m

² d

-1

no CW-FV foram obtidos, respectivamente, 70 e

94% de E

-DBO e 33 e 45% E

-NT, frisando que a concentração média efluente de NT é 5,1

ℓ

-1

. Assim a necessidade da implantação de outro CW-FH após o CW-FV é dispensada.

A relação m

por pessoa (m² pe

-1

) é muito empregada como critério de dimensionamento,

notadamente para unidades domiciliares ou pequenos sistemas descentralizados. Faixas de

aplicação encontram-se variando de 1 a 5 m

-1

, quando os CW-FH são empregados como

tratamento secundário precedidos, na maioria dos casos, de decanto-digestores. Tal fator

representou grande dificuldade no momento de comparação de resultados com a literatura,

pois esta relação é obtida considerando-se a carga orgânica per capita. Alguns autores adotam

a carga orgânica do efluente padrão local e outros a vazão, mas muitas vezes não a

mencionam, o que é de extrema importância, pois este valor varia de acordo com clima,

costumes, poder aquisitivo entre tantos outros fatores supracitados para caracterização da

água cinza. Certos autores fazem uma caracterização do próprio efluente e acabam por

desconsiderar tal fator. Considerando o equivalente populacional (EP) adotado para esgoto

doméstico no Brasil, 54 g DBO pe

-1

dia

-1

, foi obtido para a água cinza no presente estudo um

EP equivalente a 72% daquele determinado para esgoto, isto é, obteve-se uma carga de

39 g DBO pe

-1

dia

-1

2.3.3. Análise estatística

A análise estatística dos dados obtidos revelou, graficamente, superfícies lineares e

quadráticas de resposta para todos os parâmetros, em cada unidade e no sistema híbrido

completo, que possibilitam previsão da resposta experimental de cada variável, baseado nos

parâmetros de controle: E

- DBO

5,20

, TDH e t

Partindo do parâmetro TDH, é possível observar sua correlação com a E

-DQO e

-DBO

5,20

(Fig. 7). Para TDH entre 1,5 e 2,5 dias a E

-DQO e E

-DBO

5,20

variaram entre

60-75%. Para o TDH de dimensionamento (1,2 dias) foi obtida a E

-DBO

5,20

de 68%

(desejada: 67%).

Fig. 7 - Correlação entre E

-DQO (%), E

-DBO

5,20

e TDH.

A E

-SST e E

-ST não apresentaram correlação com o TDH, isto é, suas E

foram

independentes a variação do TDH. Os SST apresentaram E

se mantendo acima de 70% e

variando até 95%. Os ST mostraram grande variação, ocorrendo situações em que houve

100% de acréscimo na concentração, sua E

variou entre 7-67%. A E

-Turb apresentou

discreto aumento evidenciado por acréscimo de 10% para TDH ≥ 2 dias, sua E

variou entre

55-93% com ponto mínimo em 30% para TDH = 1,4. A E

-Turb e E

-SST apresentaram

correlação linear direta significativa (p < 0,05) de 0,98.

A redução da concentração de NH

apresentou correlação indireta com o TDH,

evidenciando aproximadamente 500% de acréscimo para o TDH de dimensionamento e

variando até 5% para valores de TDH até 3 dias. A E

- NT apresentou correlação direta com

o TDH, variando de 9-47% para TDH de 0,8-3,2 dias.

Ao considerar um sistema híbrido, a configuração mais comum para esgoto doméstico é

um CW-FV seguido por um CW-FH para nitrificar no primeiro e desnitrificar no segundo.

Neste trabalho foi proposta a configuração oposta (CW-FH seguido por CW-FV)

considerando as baixas concentrações de nitrogênio da água cinza, quando comparada ao

esgoto doméstico (Jefferson et al., 2004; Eriksson et al., 2002), e devido ao CW-FV,

aparentemente, não enfrentar bem picos hidráulicos, acarretando em colmatação da camada

do topo em tais situações (Platzer et al., 2007a). A Tab. 4 mostra a eficiência de remoção dos

parâmetros analisados no monitoramento para os anos de 2008 e 2009.

Um estudo realizado por Rousseau (2005), em um sistema híbrido em escala piloto (um

CW-FV seguido por um CW-FH) tratando esgoto doméstico pré-tratado, atribuiu o melhor

desempenho do CW-FV ao fato de que foi a unidade que recebeu a maior carga e, que,

invertendo a ordem do wetland naquele sistema híbrido resultaria no encontro da maior

eficiência no CW-FH. Para o presente estudo, a eficiência de remoção, em valores absolutos,

do CW-FH foi superior, porém, mesmo com baixa concentração do afluente no CW-FV, a

unidade apresentou maior remoção percentual para todos os parâmetros avaliados. No entanto

o CW-FV é de fundamental importância para este sistema híbrido, já que complementa

(finaliza) a remoção da unidade anterior promovendo estabilidade na performance global.

Tabela 4 - Valores médios e desvios padrões das concentrações de entrada e saída de cada

unidade e do sistema completo, eficiência de remoção e redução da concentração destes.

Remoção

Total

Parâmetro

(1)

Valor de

entrada

Remoção

CW-FH

(%)

Remoção

CW-FV

(%)

Concentração

de saída

65 5,7 ± 0,5 -

(2)

7,1 ± 0,3

Turbidez (UNT)

(3)

64 292 ± 165 69 ± 32 87 ± 23 98 ± 3 4 ± 5

Condutividade

(µS cm

-1

)

61 298 ± 158 -

(2)

366 ± 163

OD (mg O

ℓ

-1

)

(4)

32 0,3 ± 0,5 -

(2)

4,2 ± 1,5

DQO (mg O

ℓ

-1

)

60 747,8 ± 386,3 56 ± 33 78 ± 42 95 ± 7 32,5 ± 44,8

DBO

5,20

(mg O

ℓ

-1

)

(4)

23 425,6 ± 211,3 70 ± 18 94 ± 6 98 ± 2 8,2 ± 12,8

(mg ℓ

-1

)

(4)

21 29,3 ± 13,4 -

(2)

33,1 ± 13,9

ST (mg SST ℓ

-1

)

44 552,9 ± 176,7 9 ± 38 17 ± 14 32 ± 25 349,3 ± 97,9

SST (mg SST ℓ

-1

)

52 154,5 ± 72,4 66 ± 28 81 ± 19 94 ± 8 6,0 ± 6,8

(mg ℓ

-1

)

37 4,9 ± 2,2 -16 ± 66 33 ± 41 31 ± 47 2,9 ± 1,7

NT (mg N ℓ

-1

)

34 9,9 ± 3,2 33 ± 31 14 ± 68 45 ± 39 5,1 ± 3,5

(mg ℓ

-1

)

(4)

25 4,7.10

-2

± 4,4.10

-1

(2)

4,2.10

-1

± 4,7.10

-1

(mg ℓ

-1

)

(4)

12 1,6 ± 1,4 -

(2)

97 ± 2 80 ± 31 0,2 ± 0,1

(mg ℓ

-1

)

(4)

23 3,4.10

-2

± 2,5.10

-2

13 ± 73 -70 ± 371 18 ± 102 2,0.10

-2

± 2,0.10

-2

(NMP

(5)

100 mℓ

-1

)

50 3,2.10

± 6,0.10

1,2.10

± 3,0.10

E. coli

(NMP 100 mℓ

-1

)

46 9,7.10

± 3,0.10

2,9.10

± 3,7.10

(1)

Número de amostras;

(2)

Valor não calculado;

(3)

UNT: unidade Nefelométrica de turbidez;

(4)

Parâmetro monitorado apenas em 2008;

(5)

NMP: número mais provável.

A fração carbonácea, expressa pela DBO

5,20

e DQO, apresentou porcentagens de remoção

global variando entre 88% e 99% estando em concordância aos valores descritos na literatura

para esgoto doméstico (Conley et al., 1991; Rousseau et al., 2004). De acordo com a revisão

de Tuszyńska e Obarska-Pempkowiak (2008), a remoção de matéria orgânica em CW-FH

tratando esgoto doméstico varia de 71,2% a 94,1% para DBO

5,20

e de 59,7% a 89% para

DQO. Altas remoções de DQO em wetlands construídas são reportadas utilizando-se o fluxo

vertical (Shrestha et al., 2001; Li et al., 2003; Gross et al., 2006). Morel e Diener (2006)

relataram 95% de E

-DBO

5,20

para um sistema composto por TS + CW-FH tratando água

cinza na Costa Rica, com concentração afluente de 167 mg ℓ

-1

2.3.4. Performance global do sistema

Houve poucos episódios de colmatação na faixa de entrada do CW-FH, o que ocorreu devido

à falta de manutenção na caixa de gordura, ressaltando que havia o despejo de comida no ralo

da cozinha e tanque da lavanderia. No entanto, tais problemas foram sanados com a devida

limpeza nas unidades de pré-tratamento. A periodicidade de limpeza era de pelo menos uma

vez por mês nos primeiros 3 meses e, posteriormente, quinzenalmente. O intervalo entre os

procedimentos de limpeza pode ser encarado como uma das mudanças nos hábitos dos

moradores, a fim de diminuir a manutenção do sistema, mas como não houve tal colaboração

foram necessárias medidas corretivas como a troca do substrato na área colmatada e aumento

da freqüência de limpeza das unidades de pré-tratamento.

A operação do sistema foi simples e apenas requisitou alguma atenção para a limpeza do

sistema de pré-tratamento. O sistema hidromecânico foi monitorado regularmente, para

garantir a aplicação do efluente no CW-FV.

2.4. Conclusões

•

A configuração sugerida para o sistema (caixa de gordura + tanque de sedimentação)

seguidos por um sistema híbrido de wetlands construídas (CW-FH + CW-FV) se mostrou

apropriada para atender os critérios estabelecidos (remoção de sólidos suspensos, evitar

problemas de mau odor e entupimento, proposição de um sistema compacto);

•

Pedrisco (porosidade = 0,44 e K

= 3,6x10

-3

m s

-1

) mostrou ser uma boa opção para evitar

entupimento em um CW-FH recebendo água cinza, com uma concentração média de 141 ± 77

mg ℓ

-1

de SST na entrada;

•

O desempenho do CW-FH foi temporariamente afetado, quando houve picos de vazão, ou

seja, TDH baixo. No entanto, o CW-FV se mostrou eficiente como segundo estágio,

assegurando um desempenho estável do sistema como um todo;

•

A remoção bacteriológica foi suficiente para atender a qualidade microbiológica, para E.

coli, recomendada pelas diretrizes da Organização Mundial de Saúde (WHO, 2006) para

irrigação restrita (<10

NMP 100 m ℓ

-1

);

•

Ressalta-se também, que, mesmo os CW não estando destacados nas normas técnicas

aplicáveis ao tratamento descentralizado e/ou domiciliar de esgotos domésticos (como por

exemplo, a NBR 13.969 – ABNT, 1997), estes se mostram como alternativa viável para a

realização do tratamento de águas residuárias.

•

A configuração adotada proporcionou 99% de E

-DQO global em situações com picos de

vazão em torno de 1000 ℓ d

-1

•

O pré-tratamento, que impediu a entrada de materiais grosseiros no CW-FH, junto com o

CW-FV, que manteve sua eficiência praticamente constante independente da concentração

afluente, demonstraram a possibilidade de se dimensionar um sistema de tratamento de água

cinza baseado nas equações utilizadas para esgoto doméstico.

Agradecimentos

Esta pesquisa foi financiada pela International Foundation for Science (IFS, Suécia,

concessão n

. W/4130-1) e pela Fundação de Apoio à Pesquisa e ao Ensino de Mato Grosso

do Sul (FUNDECT, bolsas de mestrado).

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ANEXOS

ANEXO A – Fotos da construção à situação atual do projeto

Sistema híbrido de wetlands construídas, Campo Grande, MS, Brasil.

Residência onde o projeto foi instalado, antes da execução.

Residência onde o projeto foi instalado após a execução do projeto.

Construção do suporte para a caixa de gordura e da caixa de passagem/inspeção.

Construção do Tanque de Sedimentação – alicerce e reforma da casa.

Construção do Tanque de Sedimentação – impermeabilização.

Tanque de Sedimentação.

Construção da estrutura para o tanque de alimentação intermitente.

Construção do wetland de fluxo horizontal subsuperficial (CW-FH).

Preenchimento do CW-FH.

Mini-Papiru Beri Helicônia

Plantio e situação atual do CW-FH.

Construção e preenchimento do wetland de fluxo vertical (CW-FV).

Orquídea Bambu Alpínea

Plantio e situação atual do CW-FV.

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