UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA

FACULDADE DE CINCIAS E TECNOLOGIA

Departamento de Cincias e Engenharia do Ambiente

Estudo da Influncia do Material de Enchimento na Remoo de Matria Orgnica, Azoto e Slidos em

Leitos de Macrfitas do Tipo ESSH

Por Jos Miguel Oliveira

Dissertao apresentada na Faculdade de Cincias e

Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obteno

do grau de Mestre em Engenharia Sanitria.

Orientador: Professor Doutor Antnio Albuquerque

Co-orientador: Professora Doutora Leonor Amaral

LISBOA 2008

Agradecimentos

Pg. ii

Agradecimentos

Ao Prof. Albuquerque, uma verdadeira fora da natureza, pela boa disposio, pelos

inmeros apoios, pela motivao, pela competncia na transmisso de

conhecimentos, pela disponibilidade demonstrada para discutir as matrias em estudo

e pela capacidade que possui de nos conseguir levar sempre mais longe.

Agradecer Prof. Leonor que apesar da distncia esteve sempre presente, pelo

incentivo, pelos comentrios e reparos sempre pertinentes e pelo gosto que me incutiu

enquanto aluno, por estas coisas da Eng. Sanitria.

MAXIT S.A. por ter cedido o material de enchimento utilizado no leito

(Filtralite NR 4-8).

Fundao para Cincia e Tecnologia, atravs do projecto PTDC/AMB/73081/2006,

por ter permitido o financiamento de equipamentos, reagentes e material de laboratrio

utilizados nos ensaios.

Cidlia minha amiga e colega de laboratrio o meu bem-haja pela disponibilidade e

pela ajuda.

minha Famlia pelo apoio demonstrado ao longo deste trabalho, em especial

minha me por ter sempre acreditado e incentivado quando precisava.

Catarina, pela pacincia e compreenso, das muitas horas que passei longe, e pelo

alento e carinho incondicional que me acompanharam sempre durante a execuo

deste trabalho.

Resumo

Pg. iii

Resumo

Os leitos de macrfitas de escoamento sub-superficial e horizontal (LM-ESSH) so

muito utilizados para o tratamento de guas residuais domsticas de pequenos

aglomerados no interior de Portugal.

O meio de enchimento, essencial para a fixao das plantas e para o desenvolvimento

de biofilme com capacidade para a remoo de substratos, influncia a eficincia de

tratamento. O crescimento excessivo de biomassa, a acumulao de matria slida

em suspenso, a formao de precipitados e o desenvolvimento de rizomas e de

razes podem contribuir para a colmatao do leito e, portanto, para a diminuio do

volume disponvel para escoamento e da capacidade de filtrao.

O objectivo principal do trabalho centrou-se no estudo do desempenho de dois tipos

de materiais de enchimento (um natural - brita; outro sinttico - argila expandida

calcinada) na remoo de matria orgnica, formas de azoto e matria slida, ao

longo do leito e no tempo, num LM-ESSH laboratorial, colonizado com Phragmites

australis.

Realizaram-se duas Fases de ensaios, a primeira com brita, que incluiu trs Sries de

ensaios, cada uma com seis ensaios; a segunda com Filtralite (argila expandida

calcinada fornecida pela Maxit SA), que incluiu trs Sries de ensaios, cada uma com

cinco ensaios. As duas primeiras Sries de cada Fase foram realizadas com efluente

sinttico base de acetato de sdio (300 mg CQO.L-1) e cloreto de amnio (30 mg N-

NH4.L-1); as duas segundas Sries de cada Fase com efluente sinttico base de

acetato de sdio (300 mg CQO.L-1) e nitrato de potssio (30 e 100 mg N-NO3.L-1) e as

duas ltimas Sries de cada Fase com efluente domstico de tratamento primrio.

Todos os ensaios foram realizados carga hidrulica de 1,510-3 m3.m-2.h-1 (cerca de

3,5 cm.d-1).

Para o perodo de ensaios adoptado para cada Srie (cerca de um ms), a utilizao

de brita permitiu obter taxas de remoo superficial de matria orgnica, amnio,

nitrato e matria slida inferiores s observadas noutros estudos internacionais. A

utilizao de Filtralite, pelo contrrio, permitiu obter taxas de remoo superficial que,

para a generalidade dos parmetros, superaram as obtidas nos estudos onde foi

utilizada brita, inclusive para perodos de operao muito mais longos.

Resumo

Pg. iv

Independentemente do tipo de material utilizado, o efluente final de tratamento de

guas residuais domsticas apresentou caractersticas em conformidade com os

limites de descarga definidos na legislao vigente, com valores mais baixos nos

ensaios com a Filtralite. Assim, admite-se que este material apresente caractersticas

mais favorveis a um rpido desenvolvimento de biofilme capaz de, num curto espao

de tempo, apresentar eficincias de remoo e taxas de remoo de matria orgnica,

amnio, nitrato e matria slida elevadas.

A remoo de matria orgnica, amnio, nitrato e SST ocorreu, essencialmente, no

troo inicial do leito. A matria orgnica e amnio tero sido removidos essencialmente

em ambiente aerbio atravs de microrganismos heterotrficos aerbios e autotrficos

nitrificantes, respectivamente. Contudo, os resultados obtidos com efluente sinttico

sugerem terem ocorrido outros mecanismos de remoo, como a oxidao anaerbia

autotrfica de amnio.

Independentemente do tipo de material utilizado, na presena de efluentes com

substratos orgnicos de constituio complexa ou substratos orgnicos simples e

razo C/N-NO3 prxima da unidade, o nitrato ter sido removido essencialmente por

desnitrificao. Contudo, para a razo C/N-NO3 de 4, os resultados obtidos sugerem

terem ocorrido mecanismos alternativos de remoo de nitrato, no envolvendo a

utilizao de carbono orgnico, como a desnitrificao autotrfica.

Observou-se uma relao linear entre a carga orgnica aplicada e a carga orgnica

removida (rCQO) e entre as cargas de azoto aplicadas e as cargas de amnio (rNH4) e

nitrato (rNO3) removidas, que, para a Filtralite e no tratamento do efluente domstico,

apresentaram coeficientes de correlao superiores a 0,90. Independentemente do

tipo de material utilizado, na presena substratos de constituio complexa, a carga

orgnica e a carga de azoto parecem influenciar as respectivas taxas de remoo.

A capacidade de filtrao do leito no foi afectada durante o perodo de ensaios e os

resultados sugerem que a carga de slidos aplicada no teve efeito significativo na

remoo de matria slida em suspenso.

Palavras-chave: leito de macrfitas, brita, argila expandida, remoo carbonada, nitrificao, desnitrificao, remoo de slidos.

Abstract

Pg. v

Abstract

Horizontal subsurface flow constructed wetlands are widely used for wastewater

treatment in Portugal, especially for small population areas.

The media bed is essential for plant anchorage and biofilm development and does

affect the treatment yield. The continuous growth of roots, the adsorption,

sedimentation and precipitation of wastewater compounds and the biofilm release over

operation time leads to the development of clogging, which affects solutes distribution

throughout the bed and, therefore, may worsen the overall performance of the system.

The main objective of the work was to evaluate the effect of two different bed materials

(a natural gravel; and synthetic expanded clay) on the removal of organic matter,

nitrogen forms and solid matter, over time and throughout the bed, in a laboratory

prototype.

In order to enable a better understanding of the removal mechanisms throughout the

bed, two Phases of assays were developed. The first Phase included gravel bed and

three Series of assays, each one with six assays; the second Phase included Filtralite

NR (a commercial expanded clay developed by Maxit SA) and three Series of assays,

each one with five assays. The first two Series of each Phase were carried out with

synthetic effluent based on sodium acetate (300 mg COD.L-1) and ammonia chloride

(30 mg N-NH4.L-1); the second two Series of each Phase with synthetic effluent based

on sodium acetate (300 mg COD.L-1) and potassium nitrate (30 e 100 mg N-NO3.L-1)

and the last two Series of each Phase with primary treated domestic effluent. The

hydraulic loading was 1.510-3 m3.m-2.h-1 (around 3.5 cm.d-1).

For the period used for each Series of assays (one month) the use of gravel did allow

obtaining lower area removal rates of organic matter, ammonia, nitrate and solid matter

than the ones observed in other international studies. The use of Filtralite allowed

obtaining removal rates for all parameter higher than the ones observed in all consulted

studies with gravel. The final effluent, for both materials, presented characteristics

compatible with the discharge limits imposed by European and national legislation, with

low values for the effluent treated with Filtralite. It seems that this last material present

more favourable characteristics for a quickly biofilm development and, therefore, may

Abstract

Pg. vi

lead to a quickly start up of reactors and to achieve high removal efficiencies in a short

time period of operation.

The removal of organic matter, ammonia, nitrate and TSS presented higher rates in the

first bed section. The organic matter and ammonia were removed mainly in aerobic

conditions through hetertrophs and nitrifiers, respectively. However, the results with

synthetic effluent showed that other mechanism should have occurred, such as

anaerobic ammonium oxidation process.

Independently of the bed material used in the study, for domestic effluents or synthetic

effluents with C/N-NO3 ratio close 1, nitrate seems to have been removed mainly

through denitrification. However, for C/N-NO3 ratio of 4, the results suggest that other

nitrate removal pathway have occurred, not evolving the consumption of organic

carbon, such as autotrophic denitrification.

A linear relationship was observed between organic loading rate and organic removal

rate (rCQO) and between nitrogen loading rate and ammonia removal rate (rNH4) and

nitrate removal rate (rNO3), which for Filtralite and domestic effluent presented

correlation coefficients over 0.90. Therefore, independently of the bed material used in

the study, for domestic wastewater treatment, the organic and nitrogen loading rates

seem to influence the respective removal rates.

The filtration capability of the bed was not affected during the operation time period.

The results suggest that the applied solid loading rates had no effect in the removal of

suspended solid material.

Key-words: constructed wetlands, gravel, expanded clay, carbonaceous removal, nitrification, denitrification, solid removal.

Nomenclatura

Pg. vii

Nomenclatura Afl Afluente

C/L Razo entre o comprimento e a largura do leito

C/N Razo entre o carbono orgnico e azoto

C Comprimento do leito

CBO 5 Carncia Bioqumica de Oxignio a cinco dias

CIT Carbono inorgnico total

COT Carbono Orgnico Total

CQO Carncia Qumica de Oxignio

CT Carbono Total

Efl Efluente

EPA Environment protection agency

ESSH Escoamento sub-superficial horizontal

ESSV Escoamento sub-superficial vertical

ETAR Estao de tratamento de guas residuais

L Largura do leito

LM Leito de macrfitas

MLVSS Microrganismos volteis em suspenso

N-NH4 Azoto amoniacal

N-NO3 Azoto ntrico

NNOx: Formas oxidadas de azoto

N-Tot Azoto total

OD Oxignio dissolvido

ORP Potencial de oxidao reduo

P-Tot Fsforo total

PE Populao equivalente

PEAASAR Plano Estratgico de Abastecimento de gua e de Saneamento de guas

Residuais

PEAD Polietileno de alta densidade

SST Slidos suspensos totais

SSV Slidos suspensos volteis

ndice Geral

Pg. viii

ndice Geral

Pgina

Agradecimentos ..... ii Resumo ........... iii Abstract ........... v Nomenclatura ..... vii ndice Geral ..... viii ndice de Tabelas ... x ndice de Figuras ... xii 1. Introduo ... 1

1.1 Enquadramento ... 1 1.2 Objectivos ... 7 1.3 Estrutura da tese . 8

2. Processos de Tratamento por leito de macrfitas ... 10 2.1 Caractersticas das guas residuais 10 2.2 Processos de Tratamento .. 11 2.3 Leitos de Macrfitas 14

2.3.1 Descrio e aplicabilidade . 14 2.3.2 Tipos de sistemas .... . 18

2.3.2.1 Escoamento superficial ... 18 2.3.2.2 Escoamento sub-superficial ... 19

2.3.3 Componentes do sistema .. 21 2.3.3.1 Meio de enchimento 21 2.3.3.2 Plantas ... 23 2.3.3.3 Dispositivos de operao 26

2.3.4 Processos de transformao .... 27 2.3.5 Dimensionamento do sistema... ... 32 2.3.6 Parmetros de controlo .. 35

3. Plano experimental ... 37 3.1 Apresentao ... 37 3.2 Descrio .. 38

4. Material e mtodos 40 4.1 Instalao laboratorial . 41 4.2 Preparao do inoculo 44 4.3 Soluo de alimentao . 45 4.4 Aclimatao da biomassa .. 46 4.5 Colonizao do leito 47 4.6 Modo de Operao . 48 4.7 Amostragem e conservao da amostra . 51

ndice Geral

Pg. ix

4.8 Procedimentos analticos ... 51 5. Resultados Obtidos .. 53

5.1 Fase experimental 1 Ensaios com brita . 53 5.2 Fase experimental 2 Ensaios com filtralite ... 58

6. Anlise e Discusso de resultados . 64 7. Concluses e perspectivas de trabalho futuro ... 83

7.1 Concluses 83 7.2 Perspectivas de trabalho futuro . 85

8. Bibliografia .. 86 Anexos .. 97

Anexo I . 98 Anexo II 105

ndice de Tabelas

Pg. x

ndice de Tabelas

Pgina

Tabela 1.1 Evoluo percentual dos nveis de cobertura (PEAASAR II). 3 Tabela 1.2 Valores limite de descarga de acordo com legislao vigente.. 4 Tabela 2.1 - Valores tpicos de alguns parmetros caractersticos para diferentes tipos de guas residuais domsticas.. 11

Tabela 2.2 - Eficincias de remoo de constituintes das guas residuais domsticas em algumas operaes e processos biolgicos convencionais . 13

Tabela 2.3 Principais mecanismos de remoo de contaminantes em leitos de macrfitas .. 27

Tabela 3.1 Plano experimental .. 37 Tabela 4.1 Caractersticas da instalao laboratorial e dos meios de enchimento 43

Tabela 4.2 Solues usadas para preparar a soluo de alimentao para as sries BS1, BS2, FS1, e FS2 ... 45 Tabela 4.3 Constituio da soluo de alimentao para a fase da aclimatao da biomassa ... 47

Tabela 4.4 Intervalo de cargas de operao do sistema ao longo das diversas sries . 50

Tabela 4.5 Caractersticas associadas s trs seces do leito .. 50 Tabela 5.1 Variao da CQO, amnio e nitrato nas Sries com brita (Sries BS1, BS2 e BS3) .. 53 Tabela 5.2 Variao de SST nas Sries com brita (Ensaios BS1, BS2 e BS3) 56 Tabela 5.3 Variao da CQO, amnio e nitrato nas Sries com Filtralite (Sries FS1, FS2 e FS3) . 58

Tabela 5.4 Variao de SST nas Sries com Filtralite (Sries FS1, FS2 e FS3) 61

Tabela 6.1 Eficincias de remoo nas Sries com brita (Sries BS1, BS2 e BS3) 64

Tabela 6.2 Eficincias de remoo nas Sries com Filtralite (Sries FS1, FS2 e FS3) 66

Tabela 6.3 Variao de cargas aplicadas e cargas removidas para os dois tipos de enchimento (Sries BS1 a BS3 e FS1 a FS3) . 66

Tabela 6.4 Eficincias de remoo obtidas em diferentes estudos para o tratamento de efluentes domsticos primrios ... 81

ndice de Tabelas

Pg. xi

Tabela 6.5 Taxas de remoo por unidade de rea obtidas em diferentes estudos para o tratamento de efluentes domsticos primrios 82

ndice de Figuras

Pg. xii

ndice de Figuras

Pgina

Figura 2.1 - Representao esquemtica da planta e corte de um leito de macrfitas emergentes 15

Figura 2.2 Leito de macrfitas utilizado como sistema secundrio . 17 Figura 2.3 Leito de macrfitas utilizado como sistema tercirio .. 17 Figura 2.4 Esquema de um leito com fluxo superficial .. 19 Figura 2.5 Representao esquemtica de um LM-ESSH ... 20 Figura 2.6 Representao esquemtica de um LM-ESSV ... 21 Figura 2.7 Representao esquemtica das reaces de nitrificao / desnitrificao ... 25 Figura 2.8 Phragmites autralis ... 25 Figura 2.9 Representao das transformaes que ocorrem com o N, em leitos de macrfitas .. 31

Figura 4.1 Representao esquemtica da instalao laboratorial: a) Planta; b) Vista lateral ... 40

Figura 4.2 Aspecto da brita utilizada no leito (Fase 1) .. 41 Figura 4.3 Aspecto da Filtralite utilizada no leito (Fase 2) 41 Figura 4.4 Instalao laboratorial no incio dos ensaios com brita (Fase 1) .. 42 Figura 4.5 Instalao laboratorial no incio dos ensaios com Filtralite (Fase 2) antes de ser plantada a Phragmites autralis ... 42

Figura 4.6 Detalhes da instalao piloto: a) entrada; b) sada . 44 Figura 4.7 Reactores abertos para aclimatao da biomassa (fase de decantao) .. 47

Figura 5.1 Variao da CQO entrada e sada do leito na Srie BS1 ... 54 Figura 5.2 Variao da CQO entrada e sada do leito na Srie BS2 ... 54 Figura 5.3 Variao da CQO entrada e sada do leito na Srie BS3 ... 55 Figura 5.4 Variao da concentrao de amnio entrada e a sada do leito na Srie BS1.. 55

Figura 5.5 Variao da concentrao de amnio entrada e a sada do leito na Srie BS3 . 56

Figura 5.6 Variao da concentrao de nitrato entrada e sada do leito na Srie BS2 .. 56 Figura 5.7 Variao de SST entrada e sada do leito na Srie BS3 57 Figura 5.8 Variao do pH ao longo do leito nas sries com brita .. 57

ndice de Figuras

Pg. xiii

Figura 5.9 Variao do OD ao longo do leito nas sries com brita . 58 Figura 5.10 Variao da CQO entrada e sada do leito na Srie FS1 . 59 Figura 5.11 Variao da CQO entrada e sada do leito na Srie FS2 . 59 Figura 5.12 Variao da CQO entrada e sada do leito na Srie FS3 . 59 Figura 5.13 Variao da concentrao de amnio entrada e sada do leito na Srie FS1 . 60

Figura 5.14 Variao da concentrao de amnio entrada e sada do leito na Srie FS3 . 60

Figura 5.15 Variao da concentrao de nitrato entrada e sada do leito na Srie FS2 .. 61

Figura 5.16 Variao de SST entrada e sada do leito na Srie FS3 .. 61 Figura 5.17 Variao do pH ao longo do leito nas sries com Filtralite . 62 Figura 5.18 Variao do OD ao longo do leito nas sries com Filtralite . 62 Figura 6.1 Aspecto da instalao laboratorial no final dos ensaios com brita (Fase I) .. 67 Figura 6.2 Pormenor do desenvolvimento das razes no final dos ensaios com brita (Fase 1) 68 Figura 6.3 Aspecto da instalao laboratorial no final dos ensaios com Filtralite (Fase 2) .. 69 Figura 6.4 Variao ao longo do tempo da carga orgnica aplicada e da carga orgnica removida (r(CQO)) e da eficincia de remoo de CQO na

presena de brita (Srie BS1) 69

Figura 6.5 Variao ao longo do tempo da carga orgnica aplicada e da carga orgnica removida (r(CQO)) e da eficincia de remoo de CQO na

presena de brita (Srie BS2) 70

Figura 6.6 Variao ao longo do tempo da carga orgnica aplicada e da carga orgnica removida (r(CQO)) e da eficincia de remoo de CQO na

presena de brita (Srie BS3) 70

Figura 6.7 Variao ao longo do tempo da carga de amnio aplicada e da carga de amnio removida (r(N-NH4)) e da eficincia de remoo de N-NH4 na

presena de brita (Srie BS1) 70

Figura 6.8 Variao ao longo do tempo da carga de amnio aplicada e da carga de amnio removida (r(N-NH4)) e da eficincia de remoo de N-NH4 na

presena de brita (Srie BS3) 71

ndice de Figuras

Pg. xiv

Figura 6.9 Variao ao longo do tempo da carga orgnica aplicada e da carga orgnica removida (r(CQO)) e da eficincia de remoo de CQO na

presena de Filtralite (Srie FS1) 71

Figura 6.10 Variao ao longo do tempo da carga orgnica aplicada e da carga orgnica removida (r(CQO)) e da eficincia de remoo de CQO na

presena de Filtralite (Srie FS2) 71

Figura 6.11 Variao ao longo do tempo da carga orgnica aplicada e da carga orgnica removida (r(CQO)) e da eficincia de remoo de CQO na

presena de Filtralite (Srie FS3) 72

Figura 6.12 Variao ao longo do tempo da carga de amnio aplicada e da carga de amnio removida (r(N-NH4)) e da eficincia de remoo de N-NH4 na

presena de Filtralite (Srie FS1) 72

Figura 6.13 Variao ao longo do tempo da carga de amnio aplicada e da carga de amnio removida (r(N-NH4)) e da eficincia de remoo de N-NH4 na

presena de Filtralite (Srie FS3) 72

Figura 6.14 Eficincias de remoo de CQO ao longo do leito nas Sries com brita e Filtralite .. 73

Figura 6.15 Eficincias de remoo de N-NH4 ao longo do leito nas Sries com brita e Filtralite . 74

Figura 6.16 Variao ao longo do tempo da carga de nitrato aplicada e da carga de nitrato removida (r(N-NO3)) e da eficincia de remoo de N-NO3 na

presena de brita (Srie BS2) .. 75

Figura 6.17 Variao ao longo do tempo da carga de nitrato aplicada e da carga de nitrato removida (r(N-NO3)) e da eficincia de remoo de N-NO3 na

presena de Filtralite (Srie FS2) 76

Figura 6.18 Variao ao longo do tempo da carga de slidos em suspenso aplicada e da carga de slidos em suspenso removida (r(SST)) e da eficincia

de remoo de SST na presena de brita (Srie BS3) 77

Figura 6.19 Variao ao longo do tempo da carga de slidos em suspenso aplicada e da carga de slidos em suspenso removida (r(SST)) e da eficincia

de remoo de SST na presena de Filtralite (Srie FS3) ... 78

Figura 6.20 Relao entre as cargas orgnica aplicada e a carga orgnica removida nos ensaios com acetato e amnio (BS1 e FS1) 79

Figura 6.21 Relao entre a carga orgnica aplicada e a carga orgnica removida nos ensaios com acetato e nitrato (BS2 e FS2) 79

ndice de Figuras

Pg. xv

Figura 6.22 Relao entre a carga orgnica aplicada e a carga orgnica removida nos ensaios com efluente domstico (BS3 e FS3) ... 79

Figura 6.23 Relao entre a carga de amnio aplicada e a carga de amnio removida nos ensaios com acetato e amnio (BS1 e FS1) .. 80

Figura 6.24 Relao entre a carga de amnio aplicada e a carga de amnio removida nos ensaios com efluente domstico (BS3 e FS3) ... 80

Figura 6.25 Relao entre a carga de nitrato aplicada e a carga de nitrato removida nos ensaios com acetato e nitrato (BS2 e FS2) 80

Introduo

Pg. 1

1. Introduo 1.1 Enquadramento A gua sempre assumiu ao longo da histria da humanidade uma importncia impar,

na fixao das populaes e no desenvolvimento das mesmas. Os primeiros

aglomerados populacionais surgiram ao longo dos cursos de gua, beira mar ou

ento em locais de nascentes. Com o desenvolvimento da cincia e a evoluo dos

sistemas de transporte, a localizao dos aglomerados deixou de depender da

existncia de gua no local, mas dependeu sempre do seu abastecimento. A

disponibilidade de gua, em quantidade e qualidade, contribui tambm para marcar

nos dias de hoje, a diferena entre pases desenvolvidos e pases em

desenvolvimento.

Com o passar do tempo as preocupaes relativamente a este recurso foram

naturalmente evoluindo, desde os problemas associados quantidade para os

associados qualidade, integrando o desenvolvimento sustentvel com a necessidade

de minimizar os impactes da sua utilizao para os vrios usos da actividade humana

at ao uso eficiente da mesma e a minimizao de perdas e potencializao de

reutilizaes nos mais diversos usos. com este cenrio que actualmente nos

debatemos: um bem escasso, um pilar fundamental do desenvolvimento e da

sustentabilidade da vida nas suas diversas vertentes, onde a gesto eficiente assume

um papel preponderante no desenvolvimento sustentvel preconizado pela sociedade

actual.

A qualidade da gua est intimamente ligada s suas utilizaes, ou seja, uma gua

com qualidade para um determinado uso, como por exemplo agricultura, ser

forosamente diferente da qualidade da gua utilizada no abastecimento pblico. A

qualidade de gua encontra-se definida em termos legislativos atravs de um conjunto

de caractersticas fsicas, biolgicas e ecolgicas prprias, expressas em

concentraes de diversas substncias orgnicas, inorgnicas, espcies qumicas,

caractersticas organolpticas, parmetros fsicos e ainda pela composio e estado

do biota. (Barros et al., 1995).

Devido interferncia de inmeros factores como o clima, a geomorfologia e a

geoqumica da bacia drenante e dos aquferos subjacentes, ou devido introduo de

Introduo

Pg. 2

materiais, energia e microrganismos, principalmente como resultado das actividades

humanas a qualidade de uma massa hdrica varivel no espao e no tempo.

A crescente utilizao dos recursos hdricos superficiais e subterrneos, na maior

parte dos casos de uma forma pouco racional, vem pondo em risco as disponibilidades

de gua, as quais devem ser analisadas numa perspectiva de quantidade e qualidade.

As actividades humanas acabam por interferir directa ou indirectamente na qualidade,

quer seja pelo consumo, quer seja pelo apresamento em albufeiras ou pela regulao

de caudais, quer seja ainda pelo uso das massas hdricas como destino final de

poluentes gerados pelas actividades antropognicas. A deteriorao da qualidade da

gua est assim associada a causas de origem natural (e.g. caractersticas

morfolgicas e geoqumicas do solo e eroso e transporte de origem hdrica) ou

antropognica (actividades domsticas, industriais e agrcolas) que podem pr em

risco os seus mltiplos usos (abastecimento para consumo humano, indstria,

agricultura, actividades recreativas e de lazer, aquacultura e piscicultura, entre outros).

No final do sc. XX, Portugal apresentava registadas 4 384 captaes para

abastecimento, 6,1% delas do tipo superficial e 77,4% do tipo subterrneo, estando as

restantes sem classificao. Das captaes com origem superficial, 76,8% serviam

aglomerados com mais de 10 000 habitantes, enquanto 97,6% das captaes

subterrneas abasteciam aglomerados com menos de 10 000 habitantes, traduzindo-

se em cerca de 63,0% da populao nacional servida com origens superficiais e

37,0% com fontes subterrneas. De referir, no entanto, que na ultima dcada

aumentou significativamente o recurso a gua superficial em detrimento das captaes

subterrneas. A nvel do consumo de gua os sectores encontravam-se distribudos

da seguinte forma: a agricultura destacava-se, com cerca de 74,4%, a produo de

energia com 14%, o abastecimento residencial apresentava valores na ordem dos

6,7%, enquanto que a industria utilizava somente 4,4%.

Relativamente aos nveis de atendimento em guas residuais, conforme referido no

Plano de Desenvolvimento Regional 1994-1999 (INAG, 2001a), o nosso Pas

dispunha, nos finais do sculo passado, de apenas 55,3% de infra-estruturas de redes

de drenagem e instalaes de tratamento de guas residuais que serviam cerca de

75% da populao.

Com o terceiro quadro comunitrio de apoio, e elaborao do Plano Estratgico de

Abastecimento de gua e de Saneamento de guas Residuais (MAOT I, 2000) (2000-

Introduo

Pg. 3

2006), Portugal deu um salto qualitativo e quantitativo a nvel de atendimento e

cobertura como se pode observar na Tabela 1.1. na qual as projeces contavam com

a finalizao de todas as obras previstas no PEAASAR I (MAOT II, 2007). Apesar de

se ter registado uma evoluo positiva e o PEAASAR I ter sido considerado um xito,

este plano beneficiou essencialmente a vertente em alta com melhoria significativa

ao nvel da populao servida por sistemas de tratamento. Mais recentemente,

beneficiando do 4 quadro comunitrio de apoio, foi elaborado o PEAASAR II (2007-

2013), que pretende beneficiar a vertente em baixa dos sistemas de gua e

saneamento.

Tabela 1.1 Evoluo percentual dos nveis de cobertura (MAOT II, 2007).

Vertente em baixa 1994 1999 2006

Abastecimento de gua 84% 88% 93%

Recolha de guas residuais 63% 72% 76%

Tratamento de guas residuais 32% 55% 80%

O PEAASAR II centra a sua aco na sustentabilidade econmico-financeira,

ambiental e social dos sistemas, interligadas entre elas pelo preo da gua, que

dever representar um ponto de equilbrio. A prioridade para o perodo 2007-2013

centra-se na criao de condies para a cobertura integral dos custos do servio,

como forma de garantir a sustentabilidade do sector para geraes futuras. Tambm a

mudana dos actores no desenvolvimento das redes na vertente em baixa permitir

uma maior optimizao e o uso eficiente do recurso gua possibilitando um aumento

dos nveis de atendimento e a diminuio do ndice mdio nacional de perdas em

redes de abastecimento.

Dos cerca de 561 719 x 103 m3.ano-1 de gua consumida no Pas, 90,9% so

devolvidos a massas hdricas (INAG, 2001b). Destes, 56,9% no sofrem qualquer tipo

de tratamento, 3,8% passam por fossa sptica, 11,1% tem tratamento primrio, 25,9%

sofrem tratamento secundrio e 2,3% tratamento avanado. Um estudo sobre o

desempenho dos sistemas de tratamento de guas residuais no nosso Pas (MAOT I,

2000), revelou que, da maioria dos pontos de descarga identificados, apenas 20% so

provenientes de ETAR, enquanto que 48,8% so provenientes de fossas spticas

colectivas. O estudo conclui ainda que, das 1 228 ETAR e fossas spticas analisadas,

18,0% apresentavam um bom funcionamento, 58,1% um desempenho satisfatrio e

23,9% no funcionavam ou funcionavam com deficincias. A predominncia de

sistemas de pequena dimenso, com solues ao nvel do aglomerado populacional,

Introduo

Pg. 4

associados a grande disperso espacial e multiplicidade de ligaes e o deficiente

desempenho das infra-estruturas, em muitos casos sem operao adequada, ou,

tambm, a adopo de solues de tratamento desajustadas, so as principais razes

apontadas para os baixos ndices da qualidade do servio prestado (MAOT I, 2000).

A eficcia do tratamento de guas residuais encontra-se intrinsecamente ligada a

determinados parmetros que a caracterizam como, por exemplo, a carncia

bioqumica de oxignio a cinco dias (CBO5), a carncia qumica de oxignio (CQO), o

carbono orgnico total (COT), o azoto total (N-Tot), os ies amnio (NH4+) e nitrato

(NO3-), o fsforo total (P-Tot) e os slidos suspensos totais (SST).

O tratamento de guas residuais tem como objectivo principal a remoo da sua carga

poluente, manifestada pelas suas caractersticas fsicas, qumicas e biolgicas, de

forma a produzir um efluente final de qualidade conforme as normas de descarga

impostas pela legislao vigente, nomeadamente o Decreto-lei n 152/97 de 19 de

Junho para PE superiores a 2000 (proteco das guas superficiais em relao

poluio de origem urbana) e o Decreto-lei n 236/98 de 1 de Agosto (normas de

qualidade da gua para diferentes usos) para PE inferiores a 2000, e pelos objectivos

de qualidade definidos para o meio receptor. Estas normas referem valores limite de

emisso que so apresentados na Tabela 1.2.

Tabela 1. 2 Valores limite de descarga de acordo com legislao vigente

Parmetros Dec. Lei n 152/971 Dec. Lei n 236/982 CQO (mg O2 L-1) 125 150 CBO5 (mg O2 L-1) 25,0 40,0 SST (mg.L-1) 35,0 60,0 N-Tot (mg.L-1) 10,0; 15,03 15,0 NO3- (mg.L-1) - 50,0 NH4+ (mg.L-1) - 10,0 P-Tot (mg.L-1) 1,0 2,04 5,0; 3,0; 10,05

A disperso de aglomerados de pequena dimenso, especialmente em zonas rurais

ou perifricas de grandes cidades, tem levado adopo de sistemas de tratamento

economicamente viveis e tecnicamente sustentveis, como o caso dos leitos de

1 Para PE > 2000 2 Para PE < 2000 3 15,0 mg L-1 entre 10 000 e 100 000 PE; 10,0 mg L-1 para mais de 100 000 PE 4 2,0 mg L-1entre 10 000 e 100 000 PE; 1,0 mg L-1para mais de 100 000 PE 5 10,0 mg L-1 (geral); 3,0 mg L-1 (guas que alimentam lagoas ou albufeiras); 0,5 mg L-1 (lagoas ou albufeiras) PE: equivalentes populacionais

Introduo

Pg. 5

macrfitas, que, alm de tratamento secundrio, podem tambm proporcionar

tratamento de afinao, especialmente til quando o meio receptor considerado

sensvel ou se pretende instalar a opo de reutilizao.

Os leitos de macrfitas tm recebido cada vez mais ateno por parte da comunidade

cientfica mundial (Bastian e Benforado, 1983; Reddy e Smith, 1987; Reed et al., 1988,

Hammer, 1989; Cooper e Findlater, 1990; Etnier e Guterstam, 1991; Tchobanoglous e

Burton, 1991; Vymazal et al., 1998; IWA, 2000; Njau et al., 2003). Este facto parece

dever-se ao crescente interesse em tecnologias ecolgicas mais consistentes com a

conservao de recursos, proteco do ambiente e maior fiabilidade deste tipo de

processos ecolgicos em detrimento de processos de tratamento consumidores de

mais, energia, produtos qumicos e utilizadores de meios mecnicos mais intensivos.

O primeiro trabalho de investigao que intencionalmente pretendeu estudar o

tratamento de efluentes em leitos de macrfitas foi conduzido por Seidel (1955) no

Max Planck Institute em Plon, na Alemanha. Em 1952, Seidel pesquisou a remoo de

fenis de efluentes atravs da Scirpus lacustris e em 1956 comeou a testar o

tratamento de efluentes com S. lacustris (Bastian e Hammer, 1993).

De 1955 at ao final da dcada de 70, Seidel publicou numerosos estudos sobre o

tratamento de guas e guas residuais recorrendo a leitos de macrfitas (Seidel 1955,

1961, 1976). Um dos seus alunos, Kickuth, continuou o trabalho experimental e

popularizou esta tecnologia, juntamente com colegas europeus , tendo projectado e

construdo cerca de 200 estaes de tratamento de guas ou guas residuais para

efluentes domsticos e industriais.

Durante os anos 70, nos Estados Unidos da Amrica (EUA), foram desenvolvidos

tratamentos alternativos, suportados por projectos de investigao desenvolvidos em

universidades e apoiados pela agncia de proteco ambiental (EPA), exrcito ou

outras agncias governamentais (Bastian e Hammer, 1993), que permitiram a

expanso e aplicabilidade daqueles sistemas.

Estes sistemas, dada a sua aplicabilidade a aglomerados urbanos de dimenso entre

100 e 5000 PE (Haberl et al., 1995; Vymazal et al., 1998; IWA 2000), comearam a ser

bastante utilizados em aglomerados de pequena dimenso ou dispersos, em

alternativa a sistemas convencionais de tratamento centralizados, sendo, portanto,

Introduo

Pg. 6

mais considerado um sistema descentralizado, com boas potencialidades para ser

integrado com a possibilidade de reutilizao do efluente final.

A maioria dos leitos de macrfitas com escoamento sub-superficial que se construram

na Europa foram projectados para aglomerados populacionais com menos de 500 PE.

No entanto, existem exemplos de sistemas projectados para aglomerados

populacionais de muita pequena dimenso (menos de 50 PE) e exclusivamente para

uma habitao (IWA 2000).

Nos sistemas que esto a ser implementados em Portugal normalmente para

aglomerados com dimenso inferior a 2000 PE, prevalece a colonizao com a

espcie Phragmites australis, sendo a alimentao, normalmente, subsuperficial e o

escoamento do tipo horizontal (LM-ESSH). O meio de enchimento, essencial para a

fixao das plantas e para o desenvolvimento de biofilme com capacidade para a

remoo de substratos, apresenta, normalmente, problemas de colmatao, cujas

causas no esto muito bem estudadas, presumindo-se que possam estar

relacionadas com as caractersticas do material de enchimento, crescimento excessivo

de biomassa, acumulao de matria slida em suspenso, formao de precipitados

e desenvolvimento de rizomas e de razes.

Trata-se de um problema grave para as entidades gestoras, uma vez que tem ocorrido

em intervalos de tempo entre os 3 meses e os 2 anos aps o arranque das

instalaes, quando se esperaria que apenas ocorresse com importncia significativa

ao fim de 5 anos. Ou seja, os custos de operao e manuteno relacionados com a

substituio do meio de enchimento, colonizao e arranque das instalaes esto a

aumentar significativamente, alm das consequncias ambientais relacionadas com a

falha no tratamento e a activao dos sistemas de by-pass.

Os problemas da colmatao prematura do leito podem estar relacionados com as

caractersticas do material e da sua colocao em obra, com o cumprimento da

inclinao mnima necessria ao escoamento laminar e com as caractersticas dos

efluentes, nomeadamente flutuaes de caudais em reas de actividade sazonal e

entrada na rede de drenagem de contribuies provenientes de fontes industriais e

agrcolas.

Na impossibilidade de serem introduzidas alteraes estruturais nos LM-ESSH j em

funcionamento, uma das solues apontadas pelas entidades gestoras, alm da

Introduo

Pg. 7

melhoria do tratamento primrio, tem sido a substituio do meio de enchimento

tradicional (brita) por outro mais homogneo, com maior superfcie especfica, que

permita uma maior eficincia de tratamento para o volume de leito instalado.

A utilizao de argila expandida tem sido apontada como uma soluo alternativa,

tendo apresentado bons resultados (Vandevivere et al., 1999; Daims et al., 2001;

Vacca et al., 2005; Cortes et al., 2006) em outros pases com clima Mediterrnico (e.g.

Espanha, Itlia, Frana e Egipto), acreditando-se que pode permitir aumentar a

eficincia de tratamento nos sistemas que apresentam cargas orgnicas e de azoto

superiores s previstas em projecto ou, nos sistemas sem grande alterao das

condies de afluncia, pode reduzir o volume instalado para tratamento. Contudo,

no existem estudos em Portugal que permitam tirar concluses sobre a eficcia da

argila expandida relativamente ao enchimento clssico base de brita no tratamento

de efluentes domsticos ou urbanos, pelo que, por solicitao de algumas entidades

gestoras localizadas na regio da Beira Interior, se decidiu realizar um estudo

comparativo sobre a influncia das caractersticas destes dois tipos de meios de

enchimento na remoo de matria orgnica, formas de azoto e matria slida em LM-

ESSH.

1.2 Objectivos O objectivo principal do trabalho centrou-se no estudo da influncia do tipo de material

de enchimento na remoo simultnea de matria orgnica, formas de azoto e matria

slida em leitos de macrfitas com escoamento subsuperficial e horizontal (LM-ESSH),

atravs da utilizao de um modelo fsico laboratorial, colonizado com Phragmites

australis.

Assim, os objectivos especficos do estudo centraram-se nos seguintes aspectos:

1) Estudo da remoo, ao longo do leito e no tempo, de formas de azoto inorgnico

(azoto amoniacal e nitrato) e da sua relao com a reduo de matria orgnica, para

dois tipos de enchimento (brita e argila expandida com o nome comercial Filtralite),

utilizando efluentes sinttico ( base de acetato, cloreto de amnio e nitrato de

potssio) e de tratamento primrio proveniente da ETAR da Capinha;

Introduo

Pg. 8

2) Avaliao da capacidade de filtrao do leito ao longo do tempo e sua relao com

a evoluo da colmatao, para dois tipos de enchimento (brita e argila expandida

com o nome comercial Filtralite), utilizando efluentes sinttico ( base de acetato,

cloreto de amnio e nitrato de potssio) e de tratamento primrio proveniente da ETAR

da Capinha

3) Avaliao das relaes entre cargas aplicadas e cargas removidas ao longo do

tempo e sua comparao com o observado noutros estudos internacionais.

1.3 Estrutura da tese A tese encontra-se estruturada em sete captulos.

No captulo um apresenta-se o enquadramento do tema, com abordagem dos

sistemas de tratamento por leitos de macrfitas e sua aplicabilidade para o tratamento

de efluentes, a importncia da gesto da gua e preservao da sua qualidade para

as actividades humanas e evoluo das politicas para a sua gesto em Portugal,

finalizando com os objectivos gerais e especficos da dissertao e com a sua

estrutura.

No captulo dois, apresenta-se uma breve reviso bibliogrfica sobre leitos de

macrfitas, nomeadamente sobre os tipos de sistemas mais utilizados, sua

classificao, constituio, aplicabilidade, mecanismos responsveis pela

transformao de substratos, parmetros de controlo e critrios de dimensionamento.

O captulo trs inclui a descrio do plano experimental.

No captulo quatro descrevem-se os materiais e mtodos utilizados, incluindo a

apresentao da instalao laboratorial, a metodologia seguida para a preparao do

inoculo e da soluo de alimentao, aclimatao de biomassa e colonizao do leito,

bem como o modo de operao utilizado, as tcnicas de amostragem e conservao

de amostras e os procedimentos analticos utilizados.

No captulo cinco apresentam-se, de forma resumida, os resultados da fase

experimental, que so includos na totalidade no Anexo I.

Introduo

Pg. 9

No captulo seis apresenta-se a anlise e discusso dos resultados, incluindo a

comparao com os resultados obtidos noutros estudos, sendo as concluses e

recomendaes para trabalhos futuros includas no captulo sete.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 10

2. Processos de tratamento por leitos de macrfitas 2.1 Caractersticas das guas residuais A composio das guas residuais de um aglomerado populacional depende das

caractersticas do prprio aglomerado, sendo o resultado da mistura de guas

residuais de uso domstico (essencialmente guas de lavagem e de evacuao de

excreta), industriais e por vezes, de guas pluviais. Sendo assim, as guas residuais

podem dividir-se em (Metcalf e Eddy, 2003):

guas residuais domsticas: guas de lavagem e de evacuao de excreta,

provenientes de habitaes, hotis, pequeno comrcio, escolas, etc., e

caracterizadas essencialmente pela presena de compostos orgnicos biolgicos

ou quimicamente degradveis;

guas residuais industriais: resultantes da actividade industrial e que podem conter

compostos maioritariamente orgnicos e relativamente fceis de remover

biologicamente (e.g. guas residuais da actividade agro-pecuria e agro-alimentar,

matadouros) ou compostos orgnicos e inorgnicos, tais como substncias txicas,

metais pesados, pesticidas, fenis, cidos, bases, etc. de difcil biodegradabilidade

(e.g. guas residuais das indstrias do papel, qumica e txtil) ou germes

patognicos (e.g. guas residuais hospitalares);

guas pluviais: resultantes da chuva e da lavagem das ruas;

guas residuais urbanas: consiste na mistura de guas residuais domsticas com

guas residuais industriais e pluviais.

As guas residuais domsticas contm entre 60 a 80% de matria orgnica de fcil

biodegradabilidade, cujos principais componentes so carbohidratos (e.g. acares e

amido), compostos azotados (e.g. protenas e ureia) e gorduras; e entre 20 a 40% de

compostos de difcil biodegradabilidade (e.g. leos, detergentes, celulose e

hidrocarbonetos), matria inerte, metais pesados e sais. As guas residuais

domsticas contm ainda microrganismos bacteriolgicos associados evacuao de

excreta (e.g. bactrias, vrus, fungos, protozorios e helmintas), alguns patognicos

responsveis por doenas como a clera, a hepatite A ou gastroenterites

(Albuquerque A., 2003b).

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 11

O tratamento de guas residuais pretende a remoo da sua carga poluente, afim de

produzir um efluente final com caractersticas conforme as normas de descarga ou de

reutilizao impostas pela legislao vigente e pelos objectivos de qualidade definidos

para o meio receptor ou para futuras aplicaes.

A eficcia do tratamento de guas residuais encontra-se intrinsecamente ligada a

determinados parmetros, como apresentado na Tabela 2.1.

As massas hdricas, dependendo das suas caractersticas biticas, apresentam uma

capacidade natural de auto depurao que lhes podem permitir recuperar dos efeitos

da incorporao de massas poluentes num perodo de tempo limitado. Contudo, a

descarga de substncias que, pela sua composio ou quantidade, alterem

profundamente as caractersticas da gua, podem torn-la incompatvel com a vida

aqutica e com a utilizao humana.

Entre os poluentes de maior preocupao encontram-se os compostos consumidores

de oxignio (e.g. poluentes de origem orgnica) que interferem, essencialmente, com

os ciclos naturais do azoto e do fsforo, e substncias persistentes e bio acumulveis

que podem causar mortalidade, morbilidade, perturbaes genticas e outros efeitos

nos organismos vivos, ou mesmo desequilibrar de forma significativa os ecossistemas.

Tabela 2.1 - Valores tpicos de alguns parmetros caractersticos para diferentes tipos de guas residuais domsticas (adaptado de WPCF, 1996; Metcalf e Eddy, 2003)

Tipo de gua

Residual CBO5

(mg O2 L-1) CQO

(mg O2 L-1) COT

(mg C L-1) SST

(mg L-1) NH4+

(mg L-1) COT/ CQO C/N

1

No tratada 140,0

400,0

350,0

1000,0

120,0

300,0

100,0

350,0

25,0

50,0

0,25

0,40

3,0

3,4

Aps tratamento primrio

80,0

250,0

200,0

500,0

80,0

200,0

80,0

140,0

20,0

40,0

0,4

0,5

3,5

4,0

Aps tratamento secundrio

20,0

40,0

80,0

150,0

40,0

80,0

10,0

50,0

10,0

20,0

0,3

0,5

3,5

4,8 1 C refere-se ao COT e ao N ao azoto total

2.2 Processos de tratamento Um dos principais objectivos das tecnologias ambientais melhorar a eficincia do

tratamento de resduos atravs de processos que consumam menos recursos,

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 12

especificamente no que respeita energia e aos materiais (Rodrigues et al. 2004).

Neste contexto, os processos biolgicos so aqueles que quer tecnicamente quer

economicamente tm produzido melhores resultados para tratamento de efluentes

urbanos com uma componente importante de matria biodegradvel (Martins 2004).

A remoo ou a reduo significativa da carga poluente veiculada pelas guas

residuais numa ETAR envolve a combinao de operaes e processos unitrios, que

se distribuem por diferentes nveis de tratamento (preliminar, primrio, secundrio,

tercirio e de afinao e o tratamento de lamas). A remoo de slidos grosseiros e

sedimentveis conseguida atravs de processos fsicos de separao, como

gradagem, tamisao e decantao. A remoo da carga orgnica na forma solvel

e/ou coloidal , no essencial, realizada por microrganismos, atravs de processos que

privilegiam biomassa fixa, em suspenso ou mista.

Os tratamentos biolgicos (e.g. lamas activadas, leitos percoladores, leitos de

macrfitas, lagunagem e discos biolgicos) so os mais utilizados para a remoo da

carga poluente de efluentes urbanos. A eficincia do tratamento , normalmente,

avaliada em funo das taxas globais de remoo de determinados parmetros, como

apresentado na Tabela 2.2. Contudo, estes processos no permitem remover a

totalidade dos constituintes presentes nos efluentes domsticos, podendo observar-se

a presena de valores residuais, mesmo aps tratamento secundrio. Os constituintes

remanescentes podem causar impactes ambientais significativos nas massas hdricas

e no solo, nomeadamente nos seus potenciais usos.

Entre os compostos residuais que so detectados na descarga de instalaes de

tratamento encontram-se, de acordo com Albuquerque (2003a), matria orgnica

solvel, biodegradvel ou refractria, produtos resultantes da actividade

microbiolgica, slidos suspensos, metais pesados, compostos orgnicos volteis e

compostos inorgnicos solveis. A descarga de efluentes industriais na rede de

drenagem aumenta significativamente a quantidade e variabilidade destas

substncias.

Quando o meio receptor apresenta, pelas suas caractersticas, sensibilidade

descarga de efluentes tratados ou, a jusante, utilizado para determinado uso, a

ETAR deve ser dotada de nveis de tratamento complementares, como o tercirio ou o

de afinao, de forma a reduzir a presena de compostos residuais, podendo,

alternativamente, integrar-se a possibilidade de reutilizao. No primeiro caso incluem-

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 13

se, essencialmente, processos biolgicos para remoo de azoto (nitrificao e

desnitrificao) e processos biolgicos e/ou qumicos para a reduo do fsforo (e.g.

por precipitao com sais de alumnio, ferro ou clcio); no segundo caso incluem-se,

por exemplo, a desinfeco e a remoo de substncias orgnicas refractrias.

Tabela 2.2 - Eficincias de remoo de constituintes das guas residuais domsticas em algumas operaes e processos biolgicos convencionais (adaptado de Albuquerque et al. 2008; EPA 1999; IWA 2000; Kowalik P. 1995; Korkusuz 2005)

Operao ou Processos de

tratamento

Eficincia de remoo (%)

CBO5 CQO SST P-Tot Org.-N NH4+-N

Gradagem e Desarenamento 0,0

0,5

0,0

0,5

0,0

1,0 0,0 0,0 0,0

Decantao Primria 20,0

40,0

30,0

40,0

50,0

60,0

10,0

20,0

10,0

20,0 0,0

Lamas Activadas (sistema convencional)

80,0

95,0

80,0

90,0

85,0

90,0

10,0

30,0

15,0

50,0

10,0

15,0

Leitos Percoladores (alta carga, enchimento de brita)

60,0

90,0

60,0

80,0

60,0

90,0

10,0

15,0

15,0

20,0

8,0

15,0

Leitos Percoladores (alta carga, enchimento sinttico

65,0

85,0

65,0

85,0

65,0

85,0

10,0

15,0

Discos Biolgicos 80,0

90,0

80,0

85,0

80,0

85,0

10,0

25,0

15,0

50,0

8,0

15,0

Leitos de Macrfitas

ESSH 40,0

- 95,0

60,0 -

90,0

60,0 -

90,0

10,0 -

35,0

49,0 -

90,0

48,0 -

88,0

ESSV 25,0

- 99,0

49,0 -

91,0

30,0 -

84,0

31,0 -

92,0

28,0 -

91,0

44,0 -

95,0

Os processos de tratamento que utilizam filtrao atravs de um meio poroso (e.g.

leitos percoladores, leitos compactos ou leitos de macrfitas) apresentam,

normalmente, um enchimento constitudo por brita, seixo rolado ou material sinttico, e

so muito utilizados como tratamento secundrio, tercirio ou de afinao de vrios

tipos de efluentes (e.g. guas residuais domsticas, efluentes industriais, escorrncias

de rodovias e lixiviados de aterro sanitrio). A remoo de substratos ocorre

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 14

maioritariamente por contacto da gua residual com o filme biolgico (biofilme)

presente no meio de enchimento.

2.3 Leitos de Macrfitas 2.3.1 Descrio e aplicabilidade

Os leitos de macrfitas tm sido utilizados para o tratamento de efluentes de origem

diversificada, nomeadamente domsticos, de actividades industriais e agrcolas,

lixiviados de aterros sanitrios, de actividades mineiras e de escorrncias de rodovias

(IWA 2000; Langergraber et al., 2000), beneficiando de processos naturais envolvendo

plantas, solo e uma comunidade microbiana de constituio diversificada e adaptada a

diferentes ambientes bioqumicos.

A sua utilizao no tratamento de guas residuais industriais tem sido confinado a

efluentes biodegradveis (e.g. indstria de processamento de fruta, matadouros e

lagares de azeite) ou que no apresentem toxicidade, para a biomassa ou plantas.

(Davies et al, 1990). Os estudos mais recentes centram-se no estudo da remoo de

elementos especficos como corantes produzidos na indstria txtil (Husband et al.,

2000) ou metais na indstria de curtumes (Calheiros et al. 2008; Calheiros et al. 2007)

No tratamento de efluentes provenientes da actividade agrcola intensa (e.g vacarias,

suiniculturas e avirios), dada a presena de elevadas concentraes de matria

orgnica e matria slida que podem provocar a colmatao rpida dos leitos, tm

sido utilizada a associao de lagoas de estabilizao com lagoas de macrfitas

(Geary e Moore, 1999), o que parece ser uma soluo mais econmica

comparativamente com os processos clssicos de decantao primria (decantador

primrio ou tanque Imhoff).

Existem inmeros estudos sobre a utilizao de leitos de macrfitas no tratamento de

escorrncias provenientes de solos agrcolas, com presena considervel de azoto,

fsforo e pesticidas (Crumpton, 2000; Romero et al. 1999), e provenientes de rodovias

(Nuttall et al., 1997; Thorn et al. 2003), com elevadas remoes de slidos e metais

pesados, nomeadamente cobre, crmio, nquel, zinco, chumbo e ferro (Sakadevan et

al., 1999; Shutes et al., 2000), tendo sido registadas elevadas eficincias de remoo

daqueles constituintes.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 15

Os leitos de macrfitas (Figura 2.1) so sistemas de tratamento biolgico de guas

residuais em superfcie livre (as de escoamento superficial) ou por filtrao em meio

poroso (as de escoamento sub-superficial), caracterizados por pequenas depresses

escavadas no terreno com fundo impermevel, onde se desenvolvem espcies de

plantas hidrfilas, caractersticas de terrenos encharcados, as macrfitas (Cabral

2004). Normalmente, so antecedidos por um tratamento preliminar e primrio a

montante, incluindo um sistema de grades, um desarenador e fossa sptica ou o

tanque Imhoff.

Figura 2.1 - Representao esquemtica da planta e corte de um leito de macrfitas emergentes (adaptada de Relvo, 1999)

De acordo com (Esteves 1998), macrfita aqutica a denominao mais adequada

para caracterizar vegetais que habitam em brejos (terrenos encharcados), margens e

reas rasas de rios, lagos, reservatrios, fitotelmos, entre outros corpos de gua, onde

se incluem os vegetais, macroalgas, e at as plantas vasculares.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 16

As espcies de plantas utilizadas esto adaptadas ou adaptam-se facilmente s

caractersticas de diversos efluentes, apresentando capacidade de transportar

oxignio, atravs dos aernquimas especiais, at s razes e rizomas e daqui para o

exterior para a rizosfera (zona de transio entre as razes e os rizomas e a fase

lquida).

O papel desempenhado pela comunidade de macrfitas aquticas no equilbrio de

ecossistemas lmnicos considerado de grande importncia para a transio entre

ecossistemas aquticos e o ambiente terrestre adjacente, onde a gua surge como

factor determinante no desenvolvimento de solos e de comunidades biolgicas.

Em termos de escoamento, o fluxo pode ser horizontal ou vertical, em superfcie livre

ou atravs de um meio poroso, razes e rizomas das plantas, onde ocorrem

fenmenos de filtrao, sedimentao, volatilizao, decomposio por processos de

oxidao-reduo, adsoro e precipitao, resultando a remoo de matria

orgnica, matria slida e nutrientes (particularmente de azoto e fsforo), bem como

de microrganismos patognicos e metais pesados (Relvo 1999, Duarte 2002, Cabral

2004). No entanto, as caractersticas dos leitos de macrfitas, a qualidade e

quantidade de gua residual a tratar e as variaes do ciclo hidrolgico, so factores

bastante importantes no desenvolvimento de mecanismos de remoo de poluentes.

So normalmente utilizados como tratamento secundrio, para complementar o

tratamento primrio (Figura 2.2) em aglomerados urbanos de pequena e mdia

dimenso (50 a 5000 p.e), dispensando o recurso a sistemas mecanizados de

manuteno onerosa. Tambm podem ser utilizados para tratamento tercirio (para

remoo de azoto e fsforo como ilustrado na Figura 2.3).

Entre as principais vantagens dos leitos de macrfitas destacam-se (EPA, 1999;

Relvo 1999, IWA, 2000; Cabral 2004):

Custos de construo e operao relativamente baixos comparativamente com os

sistemas convencionais (e.g. lamas activadas ou leitos percoladores);

Necessidade de menores reas para implantao que os sistemas de lagunagem

de estabilizao (sem plantas);

Fcil operao e manuteno;

Elevadas eficincias de remoo de matria orgnica, matria slida, nutrientes

(azoto e fsforo) e metais pesados;

Tolerncia a variaes de cargas hidrulicas, orgnicas e inorgnicas;

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 17

Reduzida emisso de odores (sistemas com escoamento sub-superficial);

Dispensa a utilizao de qumicos;

Gastos de energia relativamente baixos;

Possibilidade de reutilizao do efluente final;

Obteno de benefcios adicionais, nomeadamente, espaos verdes, habitats

naturais e reas de recreio ou educacionais.

Como principais desvantagens destacam-se (EPA, 1999; Relvo 1999, IWA, 2000;

Cabral 2004):

Necessidade de maiores reas para implantao que os sistemas convencionais

como as lamas activadas ou leitos percoladores;

Colmatao do leito devido presena de elevadas concentraes de matria

orgnica e matria slida;

As eficincias de tratamento mais elevadas podem s ser atingidas dois a trs anos

aps o inicio da explorao (i.e., aps um bom desenvolvimento das plantas);

Apresenta eficincias sazonais, influenciadas pelas pocas vegetativas e no

vegetativas;

Possvel aparecimento de roedores e insectos, nomeadamente mosquitos;

Para minimizar algumas das desvantagens apontadas , portanto, necessrio ter

alguns cuidados quando se procede ao seu dimensionamento, tais como as

caractersticas do afluente aps o tratamento primrio, o tipo de enchimento, o tipo de

planta para colonizao e a variao das condies climatricas que pode influenciar o

ciclo hidrolgico.

Figura 2.2 Leito de macrfitas utilizado como sistema secundrio.

Figura 2.3 Leito de macrfitas utilizado como sistema tercirio.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 18

2.3.2 Tipos de sistemas

Existem diversos tipos de configuraes de leitos de macrfitas que se classificam de

acordo com as seguintes caractersticas (Vymazal, 2003; EPA, 1999; Haberl, 1999;

IWA, 2000):

De acordo com o tipo de macrfita aqutica dominante (submersa, emergente ou

flutuante.

De acordo com o tipo de configurao dos leitos (sistemas hbridos, de uma

passagem ou com recirculao);

De acordo com o tipo de afluente a tratar (domstico, industrial, agrcola, lixiviados

de aterros sanitrios ou de actividades mineiras e escorrncias de rodovias ou de

actividades agrcolas);

De acordo com o nvel de tratamento exigido (secundrio, tercirio ou de afinao);

De acordo com o tipo de meio de enchimento (brita, areia ou areo grosso, seixo

rolado, argila expandida ou material sinttico);

De acordo com o tipo de carga (continuo ou descontinuo);

A classificao mais comum inclui o tipo de escoamento:

Sistemas de escoamento superficial;

Sistemas de escoamento sub-superficial: horizontal e vertical

Sistemas mistos ou hbridos.

No mbito deste trabalho, apenas so descritos os sistemas estabelecidos com

macrfitas aquticas emergentes, por serem os mais utilizados em Portugal,

apresentando-se mais detalhes para os sistemas de escoamento sub-superficial e

horizontal que se utilizam no plano experimental deste estudo.

2.3.2.1 Escoamento superficial

Os sistemas com escoamento superficial (Figura 2.4) apresentam uma superfcie

lquida acima do meio de enchimento e permitem boas condies para a formao de

biofilmes. De acordo com a configurao do leito, a altura no nvel do lquido, as

caractersticas do efluente e da planta usada, a temperatura e outras condies

ambientais, podem predominar mecanismos de remoo aerbios, anaerbios e

anxicos.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 19

Estes leitos podem ter a configurao de bacias ou canais impermeabilizados, com

profundidade entre 0,3 a 1,0 m e declives de fundo entre 0,5% a 1,5%. Por vezes, so

providos de uma camada que suporta a vegetao emergente, de espessura reduzida

(entre 0,10 m e 0,20 m), base de brita e/ou areo, e um corpo de gua geralmente

pouco profundo (0,6 a 1 m).

As espcies de macrfitas emergentes mais utilizadas nestes sistemas so o Scirpus

lacustris, a Typha latifolia e a Phragmites australis (a mais comum na Europa).

Os inconvenientes destes sistemas esto associados proliferao de insectos e

odores desagradveis, que se desenvolvem devido ao contacto do efluente com a

atmosfera.

Figura 2.12 Esquema de um leito com fluxo superficial (adaptado de Dias et al. 2000)

2.3.2.2 Escoamento sub-superficial No sistema de escoamento sub-superficial o nvel do lquido mantm-se abaixo da

superfcie do leito, podendo a sua profundidade variar de 0,3 a 1,0 m, sendo 0,6 m a

mais vulgar (Dias et al. 2000). As vantagens destes sistemas prendem-se com a

menor ocorrncia de odores e de insectos e tambm com o menor risco de contacto

das pessoas com a gua residual, uma vez que esta mantida abaixo da superfcie do

leito. Consoante o tipo de alimentao, possvel distinguir-se os sistemas de

escoamento sub-superficial horizontal (LM-ESSH) e os de escoamento sub-superficial

vertical (LM-ESSV).

O sistema LM-ESSH (Figura 2.5) o mais usual no nosso Pas e na maioria dos

pases europeus e mediterrnicos. O afluente distribudo entrada do leito ao longo

de toda a sua largura, deslocando-se horizontalmente, penetrando atravs do meio

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 20

poroso e da rizosfera, no existindo, portanto, escoamento superficial. Enquanto

ocorre a passagem do lquido pela rizosfera sucedem-se mecanismos de adsoro,

precipitao e degradao microbiana. O efluente tratado recolhido no extremo

oposto entrada, para ser descarregado num destino final, normalmente em linha de

gua (Oliveira 1995).

Figura 2.5 Representao esquemtica de um LM-ESSH (adaptado de Iweme et al. 2005)

Nos sistemas do tipo LM-ESSV existem dois sentidos de escoamento, o vertical

descendente (Figura 2.6), mais comum, e o vertical ascendente.

Nos sistemas descendentes, a gua residual passa verticalmente pela superfcie do

leito, infiltrando-se rapidamente, at ser recolhida inferiormente junto base do leito.

Nos sistemas ascendentes o escoamento ocorre por contra-corrente e por

capilaridade, normalmente com a utilizao de sistemas mecanizados.

A eficincia de remoo de poluentes nestes sistemas depende da capacidade de

arejamento do solo e, portanto, das propriedades do material de enchimento.

Podem ainda, coexistir a associao de sistemas ESSV e ESSH, denominados

sistemas mistos ou hbridos.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 21

Figura 2.6 Representao esquemtica de um LM-ESSV descendente (adaptado de Iweme et al. 2005)

2.3.3. Componentes do sistema

2.3.3.1 Meio de enchimento

Nos sistemas de escoamento sub-superficial o meio de enchimento de importncia

fundamental para o desenvolvimento do biofilme e a ancoragem das plantas. Nesta

matriz de material de enchimento, razes e rizomas, coabita uma grande variedade de

microrganismos, nomeadamente bactrias, fungos, algas e protozorios, que utilizam

os substratos para obterem carbono, nutrientes e energia para as suas actividades de

crescimento e manuteno. A maior parte dos microorganismos responsveis pela

alterao de substratos est presente no biofilme que se desenvolve nas razes e

rizomas das plantas ou nas partculas de meio de enchimento inerte.

O meio de enchimento , normalmente, constitudo por camadas de material natural

(normalmente gravilha, mas pode tambm ser utilizado solo arenoso, areia ou areo

grosso e seixo rolado), reciclado (e.g. geopolimeros e compsitos de argila expandida

e lamas residuais) ou sinttico (e.g. poliestireno), de profundidade tipicamente inferior

a um metro, podendo levar em toda a superfcie uma estreita camada de solo arvel

que suporta o crescimento das plantas (Relvo, 1999; IWA, 2000; Albuquerque et al.,

2008). A constituio do leito pode incluir camadas de granulometria crescente,

normalmente no sentido ascendente, at camadas homogneas do mesmo tipo de

material.

De acordo com Relvo (1999), EPA (1999), IWA (2000), o meio de enchimento deve

apresentar uniformidade e porosidade e condutividade hidrulica adequadas, pois

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 22

estas caractersticas podem afectar o escoamento e o desempenho do sistema. A

uniformidade importante devido ao facto de partculas mais pequenas poderem

ocupar os poros e diminuir o volume disponvel para o escoamento e transporte de

solutos, alm de contribuir para uma mais rpida colmatao do leito. A condutividade

hidrulica deve ser suficientemente elevada para permitir que o escoamento seja sub-

superficial, evitando o escoamento superficial e caminhos preferenciais no interior do

leito, susceptveis de provocar a diminuio do rendimento do sistema. A

condutividade hidrulica vai sendo alterada ao longo do tempo de operao, devido ao

desenvolvimento dos rizomas e das razes, pela formao de precipitados e pela

acumulao de partculas contidas nas guas residuais afluentes.

O material de enchimento particularmente til na remoo de slidos em suspenso

e de microrganismos patognicos, sendo aconselhvel, nestas circunstncias, a

utilizao de um meio com baixa granulometria. Recentemente, tm surgido materiais

alternativos, base de elementos reciclados ou argila expandida, cujas caractersticas

parecem beneficiar o funcionamento do sistema. Os leitos mais finos permitem uma

maior eliminao de microrganismos e uma melhor absoro dos nutrientes e maior

clarificao, contudo, exigem reas mais extensas. Pelo contrrio, leitos mais

permeveis, base de gravilha e areo, no so to eficazes no desenvolvimento das

plantas nem na remoo de poluentes e microrganismos, mas permitem a aplicao

de cargas hidrulicas mais elevadas e oferecem menores riscos de colmatao,

aspecto particularmente importante nos dois primeiros anos de funcionamento.

Assim sendo, um meio muito permevel admitir cargas hidrulicas mais elevadas e

estar menos sujeito a colmatao mas, em contrapartida, no assegurar condies

adequadas de filtrao e reteno, ou eliminao de microrganismos patognicos,

podendo, adicionalmente, originar um menor desenvolvimento das macrfitas. Nos

sistemas de leito com gravilha e areo, podem admitir-se cargas hidrulicas (caudal

por unidade de rea do meio) variando entre 2,5 x 10-2 a 6,0 x 10-2 m3.m-2.d-1(2 a 20

cm.d 1 ). A espessura da camada porosa pode variar entre 0,4 m e 1,0 m, sendo mais

frequente e recomendvel o valor de 0,6 m (Relvo, 1999; IWA, 2000).

No que diz respeito estanquicidade do leito, h que garantir, por um lado, a

proteco dos solos e dos recursos hdricos subterrneos e, por outro lado, assegurar

uma alimentao adequada para irrigao das plantas ao longo de todo o ano. Deste

modo, recomendvel que se proceda impermeabilizao do fundo e taludes do

leito, com uma camada de cerca de 0,2 m de argila compactada, ou com uma

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 23

membrana de polietileno de alta densidade (Relvo, 1999; IWA, 2000). Apenas em

solos muito argilosos se pode dispensar a utilizao de impermeabilizao do leito

(Relvo, 1999).

O fundo do leito dever ter uma ligeira inclinao, da entrada para a sada, que pode

variar de 0,2% a 3%, embora se recomendem valores de 0,5% a 1,5% (Relvo 1999;

EPA, 1999; IWA, 2000). Podero adoptar-se diversas configuraes para os leitos, de

forma a adapt-los topografia e geologia do terreno, sem prejuzo de se

assegurarem os critrios mnimos de funcionalidade (e.g., velocidades de

escoamento). A configurao mais comum a de planta rectangular, devendo o

comprimento (C) ser superior largura (L). Leitos com elevada permeabilidade devem

ser dimensionados para elevados valores de razo C/L, enquanto que leitos

constitudos por solo com baixa permeabilidade deve ser concebidos para baixos

valores de razo C/L.

2.3.3.2 Plantas

As plantas macrfitas so hidrfitas por estarem fisiologicamente ligadas gua, pelo

menos parte do seu ciclo de vida, ou por existirem em ambientes hmidos ou

encharcados que toleram a submerso em perodos mais ou menos longos. So

plantas macroscpicas que incluem macroalgas, lquenes, brifitos, pteridfitos e

plantas superiores.

A distribuio das espcies no ambiente aqutico varivel, dependendo do grau da

adaptao da espcie, consoante ela habita regies mais rasas ou mais profundas. As

plantas anfbias constituem aquele grupo de espcies aquticas que vivem dentro da

gua, nos perodos de cheia, mas conseguem sobreviver por perodos variveis no

solo livre de inundao durante o perodo de seca. As plantas macrfitas so os

vegetais que melhor caracterizam os pntanos e as galerias ripcolas por estarem

adaptadas a ambientes alagados, influenciando significativamente a vida aqutica,

fornecendo alimento (frutos, folhas e sementes) e abrigo, principalmente para os

peixes e mamferos aquticos. Estes, em troca, realizam a disperso de sementes,

contribuindo assim para a regenerao da vegetao florestal das reas envolventes.

De acordo com Etnier e Guterstam (1991), Kadlec e Knight (1996), Vymazal et al.,

1998; EPA (1999), IWA, (2000) e Korkusuz (2005), existem vrios grupos de plantas

macrfitas, destacando-se os seguintes:

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 24

Macrfitas emergentes plantas enraizadas no solo com a maior parte dos caules

e folhas fora de gua, como por exemplo o canio (Phragmites australis), as

espadanas (Typha latifolia), os juncos do pntano ou lrios do pntano (ris

pseudocorus), e o junco (Scirpus lacustris). Encontram-se geralmente nas margens

dos cursos e massas de gua.

Macrfitas flutuantes plantas que flutuam superfcie da gua, no estando

enraizadas no leito, como por exemplo, o jacinto-aqutico (Eichhornia crassipes),

as lentilhas-de-gua (Lemna spp.) e a azola (Azolla filiculoides). Tm a maior parte

dos caules e folhas emersos.

Macrfitas enraizadas com folhas flutuantes plantas enraizadas ou ancoradas ao

leito mas que tm a maioria das folhas superfcie, como por exemplo de a

pinheirinha de gua (Myriophyllum aquaticum), e os nenfares (Nymphaea sp. e

Nuphar sp.);

Macrfitas submersas plantas enraizadas ou ancoradas ao leito ou em

suspenso na gua, que tm as partes vegetativas abaixo da superfcie da gua

embora, muitas vezes, os rgos reprodutores estejam superfcie ou acima dela.

Alguns exemplos so o limo mesto (Potamogeton pectinatus) e Elodea

canadensis.

As plantas desempenham um papel eficaz no tratamento das guas residuais, pois

permitem criar em torno das suas razes e rizomas um meio rico em oxignio, onde se

geram condies de oxidao que estimulam a decomposio aerbia da matria

orgnica e o crescimento das bactrias nitrificantes (Relvo 1999, Carvalho 2003,

Cabral 2004), bem como o desenvolvimento de biofilme.

No tratamento de guas residuais podem ser utilizadas vrias espcies de plantas

macrfitas, dependendo do tipo de sistema e escoamento a utilizar. De acordo com

Relvo (1999), mais frequente a utilizao de macrfitas emergentes, como as

espadanas (Typha latifolia), os juncos ou lrios do pntano (ris pseudocorus), o junco

(Scirpus lacustris) e os canios (Phragmites australis), sendo esta ltima espcie a

mais usada no nosso pas pelos melhores resultados que apresentam ao nvel da

adaptao ao clima, do desenvolvimento de rizomas menos volumosos e da facilidade

de manuteno, comparativamente com as outras espcies (Bandeiras 2006).

A libertao de oxignio ocorre atravs das razes e dos rizomas. O facto de

possurem aernquima, que um tipo de parnquima condutor e aerfiro, permite-lhes

um maior desenvolvimento em terrenos encharcados, sem que sofram asfixia

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 25

radicular. As espcies com aernquima, assim como as espcies que possuem caules

ocos (e.g. Phragmites sp.) possuem maiores concentraes internas de oxignio e,

consequentemente, um potencial maior para libertar uma maior quantidade desta

molcula para a rizosfera.

A importncia do oxignio libertado na rizosfera na remoo de carbono orgnico e

azoto (nomeadamente amnio e nitrato) no est muito bem estudado (Randerson et

al., 2005), nem a variao das condies de oxidao-reduo na rizosfera (Kayser et

al., 2003). Contudo, acredita-se que, como o oxignio consumido rapidamente,

criam-se zonas sobrepostas (Randerson et al., 2005) aerbias, anaerbias e anxicas

na matriz do solo em torno da raiz (Figura 2.7), que permitem a ocorrncia de

reaces de oxidao-reduo, responsveis pela remoo de carbono, de azoto e

fsforo, catalizadas por enzimas segregadas por microorganismos de natureza

diversificada (autotrficos nitrificantes e desnitrificantes e heterotrficos nitrificantes e

desnitrificantes).

A Phragmites australis (Figura 2.8) uma das espcies mais utilizadas nas instalaes

do nosso Pas, apresentando rizomas robustos, muitas vezes com rebentos que podem

atingir os 10 m de comprimento, folhas lanceoladas com 15 a 60 cm de comprimento e 1

a 6 cm de largura, sem plos e de colorao verde ou verde-azulada (glaucas), pancula

densamente florida de cor amarela acastanhada ou arroxeada, com 15 a 40 cm de

comprimento, espculas com 10 a 17 mm e flsculo inferior com estames.

Figura 2.7 Representao esquemtica das reaces de nitrificao / desnitrificao (adpatado de Relvo 1999)

Figura 2.8 Phragmites autralis (adaptado de Hagen 2002)

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 26

A colonizao do leito pode realizar-se por transplantao de ps jovens ou de caules

providos de razes. A fase de crescimento inicia-se em Fevereiro, em regies quentes

e em Abril em regies frias. Trata-se de uma espcie que no resiste a cortes

abundantes e prolongados, podendo estes ser efectuados na fase de crescimento,

contudo, para se obter o mximo de produo, no deve ser cortado mais de 50% do

peso obtido neste perodo. Devem, tambm, ser periodicamente podadas para que os

nutrientes incorporados nos tecidos no sejam devolvidos gua aps decomposio

(Corregidor e Parejo 1999).

2.3.3.3 Dispositivos de operao

O dispositivo de entrada na lagoa , normalmente, constitudo por uma tubagem

horizontal em T, perfurada a meia cana, e instalada perpendicularmente direco

do escoamento. Desta forma, pretende-se que a alimentao seja distribuda

homogeneamente atravs da seco transversal da lagoa, evitando-se o aparecimento

de zonas mortas e de curto-circuito hidrulico.

A instalao deficiente deste dispositivo, leva ao aparecimento rpido de zonas mortas

e de curto-circuito hidrulico, reduzindo o volume efectivo de tratamento e, portanto,

prejudica o tratamento.

Os dispositivos de sada incluem normalmente: uma tubagem de recolha do efluente

(normalmente em T, perfurada a meia cana, e colocada transversalmente direco

do escoamento); uma tubagem ou ponto de descarga de fundo; um sistema sifonado

para controlo de nvel e uma caixa de recepo do efluente final antes da sua

descarga no meio receptor.

A recirculao do efluente no comum, e aumenta consideravelmente os custos de

operao. Contudo, em sistemas onde a afluncia marcadamente sazonal em

termos de cargas, ou quando a sua variao entre o ano de arranque e o de horizonte

significativa, a recirculao pode ajudar a manter um fluxo de cargas hidrulicas,

orgnicas e inorgnicas que permitem a manuteno do desempenho do leito e das

plantas. Normalmente, inclui um sistema elevatrio para recircular o efluente final para

a entrada das lagoas, podendo, em certas configuraes, permitir o funcionamento em

srie de dois leitos.

O aumento da carga hidrulica atravs da recirculao melhora a distribuio do

efluente no leito, reduzindo a possibilidade de instalao de zonas mortas e as reas

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 27

secas ou a morte de plantas. Por outro lado, a recirculao do efluente mantm o atrito

necessrio para o desprendimento do filme biolgico, particularmente nas zonas onde

se verifica crescimento excessivo, reduzindo os problemas de acumulao excessiva

de slidos e colmatao.

2.3.4. Processos de transformao A maior parte dos microorganismos responsveis pela alterao de substratos est

presente no biofilme que se desenvolve nas razes e rizomas das plantas ou nas

partculas de meio de enchimento inerte. A remoo de substratos ocorre, quer

atravs de fenmenos fsicos (e.g. filtrao e sedimentao), quer atravs de

fenmenos qumicos e bioqumicos (e.g. absoro e biodegradao), como

apresentado na Tabela 2.3.

Tabela 2.3 Principais mecanismos de remoo de contaminantes em leitos de macrfitas (adaptado de Vymazal et al., 1998; EPA 1999, Duarte 2002; Paredes et al., 2007).

Parmetro Mecanismos de remoo

Slidos suspensos Sedimentao, floculao e filtrao/intercepo.

Matria orgnica

Matria orgnica particulada removida com os

slidos suspensos. Adsoro/absoro de matria

orgnica solvel. Adsoro no solo. Converso

bioqumica da matria orgnica. Volatilizao de

compostos volteis.

Azoto

Nitrificao / desnitrificao. Nitrificao parcial.

Oxidao anaerbia de amnia. Remoo

heterotrfica de amnia. Remoo autotrfica de

NOx. Adsoro no solo. Remoo pela planta.

Volatilizao.

Fsforo

Sedimentao e adsoro/absoro da matria

particulada orgnica ou inorgnica no biofilme.

Absoro radicular e microbiana do fsforo solvel.

Precipitao de fosfatos. Adsoro nos minerais de

argila.

Microrganismos patognicos

Remoo conjunta com os slidos suspensos.

Reteno no biofilme. Morte celular natural ou

devida a substncias txicas excretadas pelas

plantas.

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 28

As transformaes bioqumicas so realizadas por um conjunto de enzimas

segregadas pela matriz de microrganismos que existe no biofilme, constituda

essencialmente por algas, bactrias, fungos, protozorios e vrus, constituindo as

bactrias o grupo mais importante. O biofilme uma estrutura complexa, constituda,

de acordo com Criddle et al. (1991) e Grady et al. (1999), por uma matriz de clulas e

produtos celulares, como polmeros extra celulares, ligados a superfcies slidas, cuja

formao se deve a mecanismos de transporte por adveco e difuso, seguidos de

adeso e consolidao atravs de ligaes fsico-qumicas.

Esta massa biolgica encontra-se, essencialmente, fixa superfcie do material de

enchimento, s razes e aos rizomas, embora tambm possam coexistir aglomerados

de biomassa nos espaos intersticiais do meio, que se podem deslocar, ou no, em

funo das foras de presso devidas ao escoamento.

A espessura do biofilme maduro pode variar entre 0,05 cm e 2,0 cm (Arvin e

Harremoes 1990, Tijhuis et al. 1994, Harremoes 1994) dependendo, entre outros

factores, do tipo de material slido utilizado, do volume disponvel para crescimento,

da velocidade do escoamento, do tipo e quantidade de substrato e de nutrientes

disponveis e do ambiente bioqumico (Albuquerque 2003a). O biofilme pouco activo,

isto , a biomassa que vai desprendendo ou sendo removida pelo escoamento, pode

contribuir para a colmatao do leito, em especial em reas onde a velocidade de

escoamento mais baixa.

Os microrganismos obtm nutrientes e energia para as suas actividades (crescimento,

mobilidade e sntese de novas clulas) atravs de mecanismos de degradao (e.g.

respirao aerbia e anaerbia, nitrificao e desnitrificao). Desta forma, so

responsveis pela degradao da matria orgnica, pela remoo de nutrientes e

compostos refractrios obtendo produtos finais mais simples como gua e dixido de

carbono.

Os microrganismos, por intermdio de processos anablicos, asseguram a sntese de

nova biomassa. de salientar que, para que ocorra um adequado desenvolvimento

dos microrganismos, necessrio a presena de nutrientes, indispensveis sua

actividade, como o azoto, fsforo e carbono. De um modo geral, os efluentes

domsticos constituem um substrato equilibrado, apresentando uma adequada razo

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 29

C/N/P. O mesmo no se pode dizer de alguns afluentes industriais, que podem conter

elementos txicos susceptveis de inibir o metabolismo microbiano (Cabral 2004).

Os slidos suspensos aparecem no leito, quer transportados pelo afluente, quer como

resultado da morte de invertebrados, da desfragmentao de detritos provenientes das

plantas e algas e da formao de precipitados (e.g. compostos ferrosos). Este material

essencialmente removido por decomposio bacteriolgica, adsoro e filtrao no

meio de enchimento e razes das plantas e decantao (Stowell et al. 1981; EPA,

1999; Vymazal, 2003).

Uma vez que os leitos de macrfitas possuem um tempo de reteno hidrulico

elevado, geralmente de vrios dias, os slidos suspensos tm condies para

sedimentar e ficarem retidos em zonas mortas (IWA 2000). O comportamento deste

material slido bastante distinto consoante o tipo de escoamento praticado no leito.

Nos leitos com escoamento superficial, a influencia dos processos naturais e

condies climatricas bastante superior ao observado nos leitos com escoamento

sub-superficial.

A eficincia de remoo de matria orgnica (normalmente quantificada atravs da

CQO ou CBO5) em leitos de macrfitas geralmente elevada (Cooper e Findlater

1990, Bavor e Mitchell 1994, Kadlec e Brix, 1995; Vymazal et al., 1998). A matria

orgnica sedimentvel rapidamente removida por deposio e filtrao. A velocidade

de remoo de compostos orgnicos depende da concentrao de oxignio no meio,

da temperatura e da presena de elementos inibidores.

A maior parte da remoo carbonada ocorre por via aerbia no biofilme presente nas

superfcies slidas do leito (IWA 2000). O oxignio necessrio para degradar

aerobiamente a matria orgnica fornecido por difuso atmosfrica na zona de

alimentao e atravs do meio poroso, havendo tambm alguma contribuio atravs

das razes (Randerson et al., 2005), Nas zonas anaerbias do leito, o carbono

orgnico removido por desnitrificao ou por processos fermentativos. A remoo de

matria orgnica pelas macrfitas negligencivel quando comparada com a remoo

por degradao biolgica (Watson et al., 1989; Cooper et al., 1996).

As reaces que envolvem a remoo de substratos orgnicos podem produzir ou

consumir alcalinidade, de acordo com o predomnio de reaces qumicas que

produzam ou consumam, fundamentalmente, ies hidrogeno carbonato (HCO3-) e

Processos de tratamento por leitos de macrfitas

Pg. 30

hidroxilo (OH), que provocam o aumento ou a diminuio do pH. De acordo, com

Metcalf e Eddy (2003) os microrganismos apresentam taxas de crescimento mais

elevadas no intervalo 6,0 a 8,0, podendo deste modo, a variao de pH afectar a

actividade dos mesmos.

O fsforo apresenta-se essencialmente sob a forma de ortofosfato, polifosfato e

fsforo orgnico, em soluo, em partculas, nos detritos ou no corpo de organismos

aquticos. A oxidao biolgica resulta na converso da maioria do fsforo para a

forma de ortofosfato (Cooper et al., 1996). Os polifosfatos em soluo aquosa, por

hidrlise, revertem forma de ortofosfatos. Os ortofosfatos como o PO4-3, HPO4-2,

H2PO4-, H3PO4 esto disponveis para serem captados pelas plantas sem outra

transformao adicional.

O azoto pode apresentar-se na forma de azoto orgnico, azoto amoniacal (N-NH4+),

azoto nitroso (N-NO2-), azoto ntrico (N-NO3-) e azoto gasoso (N-N2O e N2). Todas

estas formas de azoto so bioquimicamente convertveis e fazem parte do ciclo do

azoto. O azoto orgnico pode aparecer sob a forma particulada e ou solvel,

principalmente constitudo por ureia e aminocidos. Os mecanismos de remoo de

azoto em leitos de macrfitas so essencialmente a volatilizao, amonificao,

nitrificao e desnitrificao, captao por parte da planta e adsoro (Figura 2.9).

A actividade de nitrificao (oxidao do amnio a nitrito e posteriormente a nitrato)

consome alcalinidade que, de acordo com Mano (1997) e Grady et al. (1999) se traduz

em cerca de 7,2 mg CaCO3 por mg de azoto amoniacal oxidado. O consequente

abaixamento de pH pode, de acordo com Crites e Tchobanoglous (1998), diminuir

consideravelmente as taxas de crescimento de espcies nitrificantes, como as

pertencentes aos gneros Nitrosomonas spp. e Nitrobacter spp., que so sensveis a

valores no intervalo 6,5 9,0.

As taxas de crescimento mais elevadas so observadas para a faixa de pH entre 7,5 e

9,0 (Me