Utilização do biocarvão como meio filtrante de wetland construído vertical empregado no tratamento de esgoto sanitário

Abstract

O objetivo desse estudo foi avaliar o desempenho de um wetland construído de escoamento vertical no tratamento de esgoto após tratamento preliminar utilizando o biocarvão como meio filtrante. As condições operacionais do módulo estudado seguiram as recomendações do primeiro estágio do sistema francês clássico. No entanto para este estudo foi utilizado como material filtrante o biocarvão e o sistema operou com apenas 2 módulos ao invés de 3 como é no sistema francês clássico. O biocarvão é caracterizado como biomassa de madeira utilizada na geração de energia proveniente de um resíduo de indústria termelétrica da região sul do estado de Santa Catarina, tendo como área superficial 428,3 m².g?¹, volume total dos poros de 0,2224 cm³.g?¹, diâmetro efetivo (d10) de 1,3 mm e coeficiente de uniformidade (CU) igual a 2. O módulo estudado, com 3,10 m² de área superficial, foi implantado no município de Lages ? SC e operado ao longo de 12 meses com uma carga hidráulica média de 0,37 m.d?¹ de esgoto, com alternância de 3,5 dias de alimentação e 3,5 dias de repouso. A eficiência global do módulo foi avaliada através de parâmetros físico-químicos (OD, pH, DBO, DQO, SST, N-NH4?e P-PO4³- ). Ao final dos 12 meses de operação do módulo, foi coletado uma porção do material filtrante de biocarvão, além da camada de lodo superficial formada, para fins de caracterização física, química e microbiológica. Com relação às concentrações médias efluentes ao módulo e os respectivos desempenhos de remoção de poluentes, obteve-se os seguintes resultados: DQO com 58 ± 46 mg.L?¹ e 68%; DBO5 com 21 ± 9 mg.L?¹ e 81%; N-NH4? com 9 ± 7 mg.L?¹ e 65%; SST com 12 ± 16 mg.L?¹ e 85%. Através dos ensaios hidrodinâmicos e amostras afluentes e efluentes ao logo dos dias de operação, observouse que a remoção de amônio e matéria orgânica se mantiveram constantes ao longo dos três dias de alimentação com tempos de percolação médios inferiores a 15 minutos em todas as campanhas. Com relação às análises da comunidade microbiana na camada de lodo (aproximadamente 1,0 cm) e nas camadas de biocarvão (0-5 cm e 15-20 cm), observou-se que algumas características do biocarvão tais como elevada área superficial (428,3 m2.g-1) e características quimicamente ativas, podem ter sido fatores relevantes no desempenho dos grupos bacterianos com potenciais de remoção do nitrogênio total através da nitrificação heterotrófica/desnitrificação autotrófica e nitrificação/desnitrificação simultâneas. Análises de metais pesados presentes na mistura da camada de lodo com a camada mais superficial do biocarvão (0-15 cm), mostraram que o material utilizado após 12 meses, recebendo esgoto pós-preliminar, apresentou todos os valores abaixo do limite preconizado pela resolução CONAMA 375/2006 para utilização do lodo na agricultura. Os resultados obtidos demonstram a aplicabilidade do sistema francês com apenas dois módulos do primeiro estágio do sistema francês preenchidos com biocarvão como material filtrante, no tratamento de esgoto pós etapa preliminar. Além do mais, a redução da área em relação ao clássico sistema francês, bem como a utilização de um resíduo industrial como material filtrante são fatores que podem contribuir significativamente na redução dos custos associados ao tratamento de esgoto e, ainda, contribuir para a sustentabilidade ambiental e à universalização do saneamento.

Abstract: The aim of this study was to evaluate the performance of a vertical flow constructed wetland treating wastewater after preliminary treatment using the biochar as a filter material. The facility is comprised of a typical first stage of the French vertical flow wetlands simulating only two filters in parallel. The filter material used was biochar, characterized as wood biomass used in the generation of energy from a thermoelectric industry residue. The biochar had a surface area of 428.3 m².g?¹, total pore volume of 0.2224 cm³.g?¹, effective diameter (d10) of 1.3 mm and uniformity coefficient (CU) equal to 2. The system evaluated in this study had 3.10 m² of surface area and was built in the municipality of Lages - SC. The system was monitored over 12 months with a daily average hydraulic load of 0.37 m.d?¹ of sewage, with an alternation feeding cycle (3.5 days of feeding and 3.5 days of resting). Physical-chemical parameters (DO, pH, BOD, COD, TSS, N-NH4?, and P-PO4³-) were used to verify the efficiency of the treatment. Sampling water was collected always on the second day of the feeding period, at a frequency biweekly average. In addition, three samplings were carried out (on the first, second, and third day of the feeding period) to hydrodynamic tests. At the end of the experimental period, a sample of the biochar was collected (in 2 depths) as well as a surface sludge sample for physical, chemical, and microbiological characterization. The mean effluent concentrations and pollutant removal performance were obtained as COD 58 ± 46 mg.L?¹ and 68%; BOD 21 ± 9 mg.L?¹ and 81%; N-NH4? 9 ± 7 mg.L?¹ and 65%; TSS with 12 ± 16 mg.L?¹ and 85%. From the hydrodynamics tests through the operation cycle, it was observed that the removal of ammonium and organic matter remained constant over the three days of the feeding period with average percolation times less than 15 minutes in all sampling tests. The microbial community analysis in the sludge layer (approximately 1.0 cm) and the biochar layers (0-5 cm and 15-20 cm), showed that some characteristics of biochar such as high surface area (428, 3 m2.g-1) and chemically active properties may have been contributed to the microbial metabolic helping the total nitrogen removal by heterotrophic nitrification/autotrophic denitrification and simultaneous nitrification/denitrification. Results from heavy metals analysis of the biochar, after 12 months, showed values below the limit recommended by the resolution CONAMA 375/2006. The findings of this study showed that the use of French systems with only two filters (1st stage) filled with biochar is promising. Furthermore, the reduction in area compared to the classic French system, as well as the use of industrial waste as filtering material are factors that can significantly contribute to reducing the costs associated with sewage treatment and contribute to environmental sustainability and universal sanitation.