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UTILIZAÇÃO DE WETLAND CONSTRUÍDO NO PÓS-TRATAMENTO

DE ESGOTOS DOMÉSTICOS PRÉ-TRATADOS EM REATOR UASB

USE OF CONSTRUCTED WETLAND FOR THE POST-TREATMENT OF

DOMESTIC SEWAGE ANAEROBIC EFFLUENT FROM UASB REACTOR

JOSÉ TAVARES DE SOUSA

Prof. Doutor da Universidade Estadual da Paraíba - UEPB. Coordenador do PRODEMA, UFPB/UEPB

ADRIANUS VAN HAANDEL

Prof. Pós-doutorado da Universidade Federal da Paraíba. Coordenador do PROSAB/UFPB

EDUARDO PEDROZA DA CUNHA LIMA

Mestre em Desenvolvimento e Meio Ambiente - PRODEMA UFPB/UEPB

ISRAEL NUNES HENRIQUE

Mestrando em Desenvolvimento e Meio Ambiente - PRODEMA UFPB/UEPB

Recebido: 08/03/04 Aceito: 05/08/04

INTRODUÇÃO

O aumento do consumo de águanos centros urbanos gera, simultanea-mente, um maior volume de esgotos sa-nitários. Estes, por sua vez, exigem umadestinação adequada; caso contrário, ha-verá o risco de poluição do solo e conta-minação dos ecossistemas aquáticos. Essarealidade corrobora a necessidade urgen-te de se desenvolverem e adaptaremtecnologias economicamente viáveis detratamento de águas residuárias.

Nesse sentido, a utilização do rea-tor anaeróbio de fluxo ascendente com

manta de lodo (UASB), em regiões declima quente, poderá ser uma solução parao tratamento secundário de esgotos, umavez que esse reator, quando operado ade-quadamente, remove DQO e DBO5 comeficiência superior a 60 e 70%, respecti-vamente, com tempo de detenção hidráu-lica curto, 0,25 dia. No entanto, é neces-sário que o efluente advindo do UASBseja submetido a um pós-tratamento afim de remover, sobretudo, nutrientes(nitrogênio e fósforo) e organismospatogênicos.

Nos vários estudos já realizados natentativa de pós-tratar efluente anae-

róbio, o sistema wetland destaca-se pelasua capacidade de remover carga po-luidora, manter a conservação dosecossistemas terrestres e aquáticos, redu-zir o aquecimento global da terra, fixar ocarbono do meio ambiente, mantendo oequilíbrio do CO2, além de conservar abiodiversidade ( Denny, 1997 ).

No contexto de tratamento de águasresiduárias, wetland são ecossistemas quefuncionam como receptores de águas na-turais e águas produzidas por atividadesantrópicas. Os wetland naturais são co-nhecidos como terras úmidas, brejos, vár-zeas, pântanos, manguezais e lagos rasos.

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RESUMO

Este trabalho relata o desempenho de três sistemas wetland, ope-rados com efluente proveniente de reator UASB, no que se refereà remoção de nutrientes, organismos patogênicos e materialcarbonáceo, durante três anos de monitoramento. A eficiênciada remoção de material carbonáceo variou de 70 a 86%; o efluenteproduzido expresso em DQO manteve-se na média de 60mg.L-1.A remoção de nitrogênio e fósforo, durante o primeiro ano deoperação, foi considerável, 66 e 86% respectivamente O wetlandvegetado apresentou maior eficiência na redução de coliformestermotolerantes, quando comparado ao wetland não vegetado,ambos operados com a mesma carga hidráulica (23 mm. dia-1).No entanto a análise de variância confirma que não há diferençasignificativa em relação à redução de coliformes entre um e outro.

PALAVRAS- CHAVE: Wetland construído, macrófitas,pós-tra-tamento, esgoto doméstico

ABSTRACT

In this investigation the performance of three wetland systems,operated with UASB effluent was evaluated with respect to removalof nutrients, pathogens, as well as carbonaceous matter over a threeyears period. The efficiency of carbonaceous material removal variedfrom 70 to 86%; the produced effluent maintained an averagevalue of 60mg.L-1. The removal of nitrogen and phosphorus duringthe first year of operation was considerable, 66 and 86% respectively.The wetland with vegetation produced effluent with a higherremoval efficiency of thermo-tolerant Coliforms than units withoutvegetation, when both were operated with the same hydraulic load(23 mm d-1). However, variance analysis confirmed that there wasno significant difference between the coliform removal efficiencies inthe systems with and without vegetation.

KEYWORDS: Constructed wetland, macrophytes,post-treatment,domestic sewage.

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Sousa, J. T. et al.

Os wetland construídos são sistemasartificialmente projetados para utilizarplantas aquáticas (macrófitas) emsubstratos como areia, cascalhos ou outromaterial inerte, onde ocorre a prolifera-ção de biofilmes que agregam populaçõesvariadas de microrganismos os quais, pormeio de processos biológicos, químicos efísicos, tratam águas residuárias (Sousa etal., 2000; Sousa et al., 2003 ).

As macrófitas aquáticas utilizadasnos sistemas wetland construídos podemser de dois tipos: emergentes e flutuan-tes. Para escolhê-las, deve-se observar osseguintes critérios: fácil propagação e cres-cimento rápido; alta capacidade de ab-sorção de poluentes; tolerância a ambien-te eutrofizado; fácil colheita e manejo evalor econômico.

Especificamente no Nordeste doBrasil, região onde a irradiação solar é cons-tante durante quase todo o ano, condi-ção que favorece o processo fotossintéticodas macrófitas, a utilização de sistemaswetland pode ser uma tecnologia viável,já que foram positivos os resultados dosestudos sobre a aplicabilidade de siste-mas wetland construídos com fluxossubsuperficiais no pós-tratamento deefluente de reatores anaeróbios (Sousaet al., 2001; Sousa et al., 2003). Os estu-dos de Ceballos et al. (2000) e Meira(2002) também apresentaram resultadossatisfatórios sobre outros sistemas wetlandvegetados, construídos com leito de brita,para o tratamento de água superficial po-luída.

Esse trabalho apresenta os resulta-dos de desempenho de três sistemaswetland operados com efluentesadvindos de reator UASB, no que se refe-re à remoção de nutrientes (nitrogênio efósforo), organismos patogênicos e maté-ria carbonácea remanescente, durante trêsanos de monitoramento.

MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi instalado econduzido em área pertencente à Com-panhia de Águas e Esgotos do Estado daParaíba (CAGEPA), onde se localiza aEstação de Tratamento Biológico de Es-gotos (EXTRABES) e desenvolve-se oPrograma de Pesquisa em SaneamentoBásico (PROSAB), no município deCampina Grande – PB, situado entre ascoordenadas geográficas de 07O 13’ S e35O 52 W, com altitude de 550 m acimado nível do mar.

O sistema de tratamento constituiu-se de duas unidades: para a primeira, foi

utilizado um reator anaeróbio de fluxoascendente com manta de lodo (UASB).Para a segunda, foram construídos trêssistemas wetland de alvenaria, revestidosinternamente com massa impermea-bilizante, com área de 10m2 cada um.Com o objetivo de otimizar a distribui-ção dos fluxos de entrada e saída em cadasistema, depositou-se uma camada de cas-calho de 40cm de largura por 60cm dealtura, com granulometria variando de15 a 20 mm.

O efluente proveniente do UASBvinha, por gravidade, até uma caixa de100L de capacidade e, através de bombaperistáltica, era recalcado para os sistemaswetland onde eram alimentados conti-nuamente de forma subsuperficial. As va-zões, que eram controladas no início e nofinal de cada dia, foram diferenciadas emcada sistema.

Os três sistemas wetland forammonitorados durante trinta e seis meses.Todos continham como substrato, areialavada com granulometria variando de2,88 a 4,8mm, formando uma camadade 60cm. Os wetland 2 e 3 eram vegeta-dos com macrófitas do tipo Juncus spp,apresentando uma densidade de 25propágulos vegetativos por metro qua-drado, enquanto o wetland 1 não era ve-getado e continha apenas areia. As carac-terísticas físicas e operacionais do reatorUASB e dos sistemas wetland, bem comoos principais parâmetros do efluente doUASB, são apresentadas nas Tabelas 1 e2, respectivamente.

Os parâmetros analisados para veri-ficar a eficiência do sistema, durante omonitoramento, foram: temperatura,pH, DQO, N-NH+

4, NTK, fósforo to-tal, condutividade elétrica, coliformestermotolerantes e estreptococos fecais.Com exceção da primeira determinação,as demais seguiram métodos de análisedescritos pelo APHA (1995).

O wetland 1 (não vegetado) foi to-mado como parâmetro para o controledo sistema; por isso o wetland 3 foi ali-mentado com a mesma carga, conseqüen-temente, com o mesmo tempo de deten-ção hidráulica do wetland 1. Esses pro-cedimentos podem ser observados na Ta-bela 3. A vegetação (Juncus spp) foimonitorada e controlada no ambiente àmedida que crescia e, a cada seis meses,efetuava-se o corte das macrófitas.

A diferença entre as médias da efi-ciência dos tratamentos dos três sistemaswetland, durante os três anos de monito-ramento, foram verificadas através da aná-lise de variância (ANOVA).

RESULTADOS EDISCUSSÃO

Carga aplicada ao sistemawetland

As análises laboratoriais foram realiza-das semanalmente, durante os três anos deoperação do sistema. A Tabela 4 apresentaos valores médios da carga aplicada de DQO,fósforo e Nitrogênio Total Kjeldhal (NTK)durante todo o período de operação.

Observa-se, nessa Tabela, que a car-ga aplicada de DQO variou de 5,01a 9,45g DQO.m-2. dia -1 e a de nitrogê-nio permaneceu entre 1,16 e1,93 g NTK.m-2.dia –1 ; já a carga de fósfo-ro oscilou entre 0,15 e 0,22 g P.m-2.dia –1.Cargas superiores foram aplicadas porBatchelor & Loots (1997), Sousa et al.(2001) e Sezerino et al. (2003). Esse úl-timo, tratando águas residuárias proveni-entes de pocilga, aplicou ao sistemawetland cargas de nitrogênio e fósforo dezvezes maiores, e a remoção foi satisfatória.

Fatores hidrológicos como precipi-tação, infiltração, evapotranspiração, taxade carregamento hidráulico e profundi-dade interferem na eficiência do desem-penho do sistema wetland. Foi observa-do que, em alguns meses do ano, quandoa temperatura variava entre 30 e 34 º C,cerca de 50% da carga hidráulica afluen-te se perdia devido à evapotranspiração.

Matéria orgânica

O wetland construído remove sa-tisfatoriamente matéria orgânica e sóli-dos suspensos. É um sistema de estrutu-ra simples e de fácil manejo, embora apre-sente obstruções no volume de vaziosdo substrato, devido à acumulação delodo durante a operação. A sedimenta-ção e a retenção desse lodo ocorre, geral-mente, em razão da baixa velocidade deescoamento da água no sistema wetland.

Observa-se, na Figura 1, que a efi-ciência da remoção da matériacarbonácea, expressa como DQO, varioude 70 a 86%. Os valores médios da con-centração da demanda química de oxi-gênio dos efluentes nos três sistemaswetland, durante os três anos demonitoramento, não mostraram diferen-ças significativas (p >0,05) entre eles,embora o efluente produzido no siste-ma wetland não vegetado tenha apre-sentado valores de DQO um pouco su-periores ao vegetado, mesmo tendo sidooperados com a mesma taxa de aplica-ção hidráulica (23mm. dia-1). Esse fato

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Tabela 1 - Características físicas e operacionais do reator UASB e dos sistemas Wetland

Reator UASB Valor Sistema Wetland Valor

Altura do reator (m) 3,0 Altura construída (m) 0,8

Diâmetro (m) 0,8 Altura do substrato (m) 0,6

Volume (m3) 1,5 Largura (m) 1,0

Tempo de detenção hidráulica (h) 6,0 Fração de vazios do substrato (%) 38

Carga orgânica especifica (kg DQO m-1.dia-1) 2,2 a 2,8 Coeficiente de uniformidade(d

60/d

10) do substrato

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Tabela 2 – Valores médios dos principais parâmetros do efluente do reatorUASB, durante o período experimental

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Tabela 3 - Carga e tempo de detenção hidráulica dos sistemas wetland,durante o período experimental

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Wetland no pós-tratamento em reator UASB

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Sousa, J. T. et al.

permite a constatação de que as macrófitasnão tiveram influência significativa naremoção de matéria orgânica.

Destaca-se que as macrófitas (Juncussp) presentes no sistema wetland necessi-tavam de manejo (corte) a cada seis mesese, à medida que o corte era realizado, ocor-ria a invasão de outras plantas, com, porexemplo, papiro. As macrófitas podemser utilizadas como material para aduba-ção verde na agricultura, uma vez que asmesmas contêm nutrientes, sobretudo,nitrogênio e fósforo.

O custo de construção do sistemawetland é similar ao custo de construçãode lagoas de estabilização. A vantagem dautilização do primeiro reside justamentena qualidade do efluente, que apresenta

baixa concentração de DQO (60mg. L-1),alta concentração de nutrientes e pH emtorno de 7,5. Efluentes com essas carac-terísticas podem ser utilizados na irriga-ção da maioria das culturas.

Remoção de Nitrogênio

A Figura 2 apresenta os valores mé-dios dos efluentes do reator UASB e dostrês sistemas wetland, durante os três anosde monitoramento. Observa-se que, noprimeiro ano de operação, a eficiência deremoção de NTK foi considerável nos doissistemas vegetados; após esse período, eladiminuiu em ambos os sistemas.

A análise dos dados médios, feita acada seis meses, mostra que a remoção de

nitrogênio não ocorreu de forma linear,mas variou durante o período de monito-ramento. Essas oscilações devem-se, su-postamente, ao ciclo vegetativo da plantaaquática que, na fase de envelhecimento(Juncus sp), não absorve nutrientes com amesma proporção da sua fase de cresci-mento (Sousa et al., 2000).

A análise de variância em termo designificância de 5% mostra que há dife-rença significativa (p<0,05) entre os trêssistemas, um não vegetado, dois vegeta-dos. Nos três anos de operação, ficou evi-dente que a presença de macrófita, sobre-tudo no sistema wetland 3, teve impor-tância na remoção de nutrientes; no en-tanto, à medida que aumentou o tempode operação, diminuiu a eficiência de re-

Tabela 4 – Cargas médias aplicadas de DQO, NTK e fósforo total,durante o período experimental

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Figura 1- Valores da DQO efluente durante o período de trinta e seis meses deoperação do reator UASB, seguindo de sistemas wetland

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moção do NTK, conforme os dados apre-sentados na Figura 2.

Remoção de Fósforo

A Figura 3 apresenta o comporta-mento do efluente do reator UASB e dostrês sistemas wetland, durante o monito-ramento. Observa-se que, nos primeirosseis meses, os efluentes produzidos pelossistemas wetland apresentavam baixa con-centração de fósforo, menos de 0,5 mg P.L-1

para o wetland 3 e cerca 0,7 mg P.L 1 para owetland 2. No entanto, nota-se que a re-moção de fósforo não ocorreu uniforme-mente. No primeiro ano de operação, aremoção foi máxima: 82 e 90% para oswetland 2 e 3 respectivamente, decaindosubstancialmente nos anos seguintes,chegando, inclusive, em alguns dias, aproduzir efluente com concentração defósforo maior que a do afluente. Final-mente, no terceiro ano, a eficiência de re-moção foi baixa (Figura 3).

A remoção de fósforo no sistemawetland ocorre pela precipitação quími-ca, pela adsorção, pela assimilação dosvegetais e biofilmes formados no substratoe no sistema radicular da vegetação.

Sabe-se que o fósforo solúvel é facil-mente absorvido pelos sistemas radicularesdas plantas aquáticas. Já a fração poucosolúvel associa-se ao ferro, ao alumínio eao cálcio, tornando-se pouco assimilávelpela planta, bem como pelos microrga-nismos. Durante o experimento, o pH,no sistema vegetado, variou entre 7,0 e7,5, faixa que favorece a precipitaçãoquímica de fósforo associado a compos-tos de cálcio (Metcalf & Eddy, 1991).Dessa forma, a taxa de adsorção de com-postos de fósforo é controlada pelo pH epelo potencial de oxidação do própriosubstrato (Reddy & D’Ângelo, 1997;Sousa et al., 2003).

Assim sendo, à medida que aumen-ta o tempo de operação, a tendência dosistema é tornar-se saturado de compos-tos de fósforo e, conseqüentemente, ocor-re a diminuição da eficiência de remo-ção. Provavelmente, essa diminuição deve-se à saturação do substrato (areia lavável)com compostos de fósforo precipitados(Tanner et al.,1999; Sousa et al.,2001).

Redução de coliformestermotolerantes

Observa-se, na Figura 4, que, du-rante o primeiro ano de operação, os wetland1 e 3, ambos monitorados com a mesmacarga aplicada (23 mm/dia), produziram

efluentes com coliformes termotolerantessimilares, do ponto de vista da ordem degrandeza (103 UFC/ 100mL). No entan-to, a partir desse período, o efluente dosistema não vegetado (wetland 1) mante-ve-se na média de 104 UFC/ 100mL,enquanto o vegetado (wetland 3) produ-ziu efluente com concentração de coli-formes em torno de 103 UFC/ 100mL.

Essa evidência vem corroborar ex-periências realizadas por Rivera et al.(1995), Sousa et al. (2001) e Meira, et al.(2001), que constataram a influência dapresença de macrófitas na redução decoliformes. Mesmo observada essa redu-ção de coliformes, a análise de variânciaconfirmou que não há diferença signifi-

cativa (p>0,05) entre o wetland vegeta-do e o não vegetado.

O mecanismo de redução de coli-formes termotolerantes e totais ocorredevido à combinação de fatores físicos,químicos e biológicos. Os fatores físicosincluem: mecanismo de filtração atravésda densidade das plantas, fixação debiofilme no substrato e nas macrófitas esedimentação propriamente dita. Já osfatores químicos envolvem oxidação, efei-to biocida resultante do material excretadopor algumas macrófitas e adsorção damatéria orgânica. Finalmente, o mecanis-mo biológico, segundo Rivera etal.(1995), inclui produção e efusão desubstâncias químicas no ambiente que

Figura 2 - Concentração de NTK nos efluentes, durante o período detrinta e seis meses de operação do reator UASB, seguindo

de sistemas wetland

Figura 3 - Valores da concentração de fósforo total nos efluentes, duranteo período de trinta e seis meses de operação do reator UASB,

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Wetland no pós-tratamento em reator UASB

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impedem o desenvolvimento de outrosorganismos (antibiose), predação pornematóides e parasitas, ataque por lisesde bactérias e morte natural.

CONCLUSÕES

No primeiro ano de monitoramentodo sistema wetland, constatou-se que aeficiência da remoção de nutrientes foisatisfatória (60 e 80% de nitrogênio efósforo, respectivamente), provavelmen-te devido aos fenômenos de adsorção,complexação e precipitação das formas defósforo e da acumulação de lodo nas fra-ções dos vazios da areia. A partir do se-gundo ano, observou-se um significativodecaimento da remoção de fósforo, fenô-meno que, provavelmente, resulta da sa-turação do meio por fósforo. Com rela-ção ao decaimento da eficiência do nitro-gênio, presume-se que seja uma decorrên-cia do envelhecimento das plantas aquáti-cas, no momento em que se dá a estabiliza-ção da necessidade de nutrientes.

Durante os três anos de monitora-mento, a eficiência da remoção de maté-ria carbonácea, expressa como DQO, va-riou de 70 a 86% nos três sistemaswetland, não se observando diferençassignificativas (p>0,05) entre os sistemaswetland vegetados e o não vegetado.

Nas condições do experimento, aremoção de fósforo em sistema wetlandcontendo areia lavada como substratodiminuiu, à medida que aumentou otempo de operação do sistema. Nos me-ses iniciais, a remoção foi máxima (eficiên-cia de 90%). Entretanto, essa eficiência ten-deu a diminuir nos meses subseqüentes.

O wetland vegetado apresentoumaior eficiência para a redução decoliformes termotolerantes (da ordem de4 unidades logarítmicas), ao ser compa-rado com o wetland não vegetado (daordem de 3 unidades logarítmicas), am-bos operados com a mesma carga hidráu-lica (23 mm. dia-1). O efluente produzi-do durante os três anos no wetland vege-tado manteve-se variando entre 800 e2000 UFC/100 mL. Dessa forma, esseefluente pode ser destinado à irrigação deculturas não consumidas cruas.

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Figura 4 – Concentração de coliformes termotolerantes nos efluentes,durante o período de trinta e seis meses de operação do reator UASB,

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Endereço para correspondência:

José Tavares de SousaDepartamento de QuímicaUniversidade Estadual da ParaíbaAv. das Baraúnas, 351 - Bodocongó58109-763 Campina Grande - PB -BrasilTel.: (83) 333-3476Fax: (83) 333-3886E-mail:prpgp@uespb.rpp.bra

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