Custos de processamento de lodo em Estações de Tratamento de Esgoto com reatores anaeróbios de manto de lodo e pós-tratamento aeróbio: subsídios para Estudos de Concepção / Costs of sludge processing in Waste Water Treatment Plants with Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactors and aerobic post-treatment: resources for Conception Studies

RESUMO O objetivo desta pesquisa foi a avaliação dos custos de implantação (CAPEX) e de operação (OPEX) de diferentes alternativas de desaguamento e higienização de lodo, em Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs) com reatores anaeróbios de manto de lodo (UASB) e pós-tratamento aeróbio, visando fornecer subsídios para Estudos de Concepção. As tecnologias consideradas foram: leitos de secagem, centrífugas, wetlands construídos para lodo (WCL), estabilização alcalina prolongada (EAP) e secagem térmica. Curvas de custo para vazões de esgoto entre 5 e 750 L.s−1 foram elaboradas, desconsiderando-se os custos de aquisição de área e destinação final do lodo. Verificou-se que o CAPEX das centrífugas pode ser inferior ao dos leitos de secagem para ETEs com vazões acima de 80 L.s−1. Porém, ao considerar-se o OPEX, os leitos se mantêm mais econômicos. Também foi avaliada uma alternativa mista, de leitos de secagem e centrífugas em paralelo, mas seus custos mostraram-se mais elevados que cada opção isoladamente. Os WCL apresentaram CAPEX superior ao das centrífugas para ETEs acima de 120 L.s−1, mas foi mantida a alternativa mais econômica de desaguamento quando considerado CAPEX + OPEX. Quanto à higienização, a secagem térmica apresentou CAPEX inferior ao da EAP para ETEs acima de 500 L.s−1. Porém, ao se considerar o OPEX, essa se manteve mais onerosa até 750 L.s−1, mesmo considerando-se o aproveitamento do biogás gerado nos reatores UASB.

ABSTRACT This research assessed the implementation costs (CAPEX) and the operational costs (OPEX) of different sludge dewatering and disinfection alternatives, considering WWTP with UASB reactors and aerobic post-treatment, aiming to provide resources for Conception Studies. The following technologies were considered: Drying Beds, Centrifuges, Sludge Drying Reed Beds (SDRB), Alkaline Stabilization Process (ASP), and Heat Drying. Cost functions for wastewater flows ranging from 5 to 750 L.s−1 were elaborated, while disregarding area acquisition and sludge final disposal costs. It was determined that the Centrifuge's CAPEX could be lower than the Drying Bed's for WWTPs inflows above 80 L.s−1. Nonetheless, Drying Beds remained cheaper when OPEX was considered. A hybrid alternative with Drying Beds and Centrifuges in parallel was evaluated, but their combined costs remained higher than each option considered individually. Moreover, SDRB's CAPEX was higher than the Centrifuge's for WWTPs above 120 L.s−1, but the former remained the cheapest dewatering alternative when considered CAPEX + OPEX. Finally, Heat Drying had lower CAPEX than ASP for WWTPs above 500 L.s−1. Nonetheless, considering OPEX, the former remained more expensive up to 750 L.s−1, even when considering fully UASB biogas reclamation.

Remoção de contaminantes do esgoto sanitário em sistemas alagados construídos cultivados com Mentha aquatica / Removal of sewage contaminants in constructed wetlands systems cultivated with Mentha aquatica

RESUMO Neste trabalho, teve-se como objetivo avaliar o desempenho de Sistemas Alagados Construídos de Escoamento Horizontal Subsuperficial (SAC-EHSS) cultivados com Mentha aquatica, submetidos a diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH), na remoção de matéria orgânica, nutrientes e bactérias do grupo coliformes presentes em esgoto sanitário efluente de tanque séptico. Quatro SACs-EHSS de 24,0 × 1,0 × 0,35 m foram construídos e preenchidos com brita #0, como meio suporte, até a altura de 0,20 m. Em dois SAC-EHSS, foi cultivada a espécie Mentha aquatica, permanecendo os outros dois sem vegetação como tratamento controle. O experimento foi realizado em duas etapas: na primeira, de 20 de junho a 24 de agosto de 2011, avaliaram-se os TDH de 6,0 e 4,5 dias; e, na segunda, de 31 de agosto a 09 de novembro de 2011, foram analisados os TDH de 3,0 e 1,5 dias. Para avaliação do desempenho dos sistemas, foram quantificadas as variáveis: demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), concentrações totais de nitrogênio (N), fósforo (P), potássio (K) e sódio (Na), coliformes totais e Escherichia coli. As eficiências médias na remoção de DQO variaram entre 71,3 e 91,4% e as de DBO5, entre 75,3 e 91,0%. As remoções médias de nutrientes foram de 29,5 a 77,2% do N total; de 12,8 a 58,3% do P total; de 20,4 a 63,3% do K total; e de 17,5 a 53,4% do Na total. As reduções na contagem de coliformes totais foram de 1,29 a 3,41 unidades logarítmicas e as de E. coli, de 1,13 a 3,46 unidades logarítmicas. Maiores eficiências na remoção de matéria orgânica, nutrientes e bactérias do grupo coliformes foram observadas nos SAC-EHSS cultivados que operaram com maiores TDH.

ABSTRACT This work was conducted to evaluate the performance of horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSSF-CWs) cultivated with Mentha aquatica, subjected to different hydraulic retention times (HRTs), in the removal of organic matter, nutrients and coliform bacteria in sewage effluent from septic tank. Four HSSF-CWs measuring 24.0 × 1.0 × 0.35 m were built and filled with gravel # 0, as a support medium, up to the height of 0.20 m. In two HSSF-CWs, Mentha aquatica was cultivated, the other two remained without vegetation, as control treatment. The experiment was conducted in two stages: in the first, from 06/20 to 08/24/2011, HRTs of 6.0 and 4.5 days were evaluated, and in the second stage, from 08/31 to 11/09/2011, HRTs of 3.0 and 1.5 days were evaluated. To evaluate the systems performance, the following variables were quantified: chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD5), total nitrogen, phosphorus, potassium, sodium, total coliforms and Escherichia coli. Average removal efficiencies of COD ranged from 71.3 to 91.4% and of BOD5 from 75.3 to 91.0%. With respect to nutrients, average removals ranged from 29.5 to 77.2% total N; 12.8 to 58.3% total P; 20.4 to 63.3% total K and 17.5 to 53.4% total Na. Reductions in total coliform counts ranged from 1.29 to 3.41 log units and 1.13 to 3.46 log units in E. coli. Improved efficiencies in the removal of organic matter, nutrients and coliform bacteria were observed in cultivated HSSF-CWs that operated at higher HRT.

Sistema integrado com microalgas e wetland construído de fluxo vertical no tratamento de efluentes urbanos / Integrated system with microalgae and constructed wetland in vertical flow for urban wastewater treatment

RESUMO O sistema integrado com microalgas (MA) e wetland construído de fluxo vertical (wetland construído pós-microalgas - WCPMA) foi aplicado para a realização de ensaios de tratamento de efluentes no campus da Universidade de Santa Cruz do Sul, no Rio Grande do Sul (UNISC-RS). Águas negras e amarelas foram alimentadas para esse sistema em regime de batelada a partir de um tanque equalizador da estação de tratamento de efluentes da universidade, considerando tempo de detenção hidráulica (TDH) de três dias para cada unidade do sistema integrado. O comparativo de desempenho foi feito com unidades também envolvendo a sequência de tanque de armazenamento de efluentes (TAE) + sistema de controle (C), somente com suporte de areia e brita, em triplo estágio, bem como wetlands construídos de fluxo vertical, também em triplo estágio. O abastecimento utilizou fatores de carga em termos de demanda química de oxigênio (DQO) de 2,4±0,9 g m-1dia-1 para o TAE e de 26,7±11,2 g m-1dia-1 para as unidades de wetlands construídos, de MA+WCPMA e de C (sem o cultivo da Hymenachne grumosa). Em relação à unidade TAE+MA+WCPMA, as reduções dos parâmetros de cargas poluentes foram mais significativas em termos de demanda bioquímica de oxigênio (DBO5) (58%), fósforo total (63%) e, principalmente, nitrogênio amoniacal no sistema integrado, com redução de 100%. Em termos de toxicidade aguda com Daphnia magna, a detoxificação foi efetiva, com variações de valores de EC50 de 58 a 100%. O estudo obteve resultados expressivos que indicam que o sistema MA+WCPMA é uma alternativa promissora no tratamento de águas residuárias para unidades geradoras descentralizadas, possibilitando maior redução da ação eutrofizante.

ABSTRACT The application of integrated systems with microalgae (MA) and Vertical Flow Constructed Wetland Post Microalgae (CWPMA) was performed for campus wastewater treatment assays located in Santa Cruz do Sul (UNISC-RS). Black and yellow waters were fed to systems in batch regime from equalizer university wastewater treatment plant tank, considering hydraulic detention time (HDT) of three days for each unity of the integrated system (MA+CWPMA). The comparison of performances was also made with units involving storage tank wastewater (STW)+Control System (C), only supported with sand and gravel in triple stage, as well as CWs, also triple stage. The supply used load factors in terms of COD 2.4±0.9g m-1 day-1 (for STW) and 26.7±11.2 COD m-1day-1 for the units of CWs; MA+CWPMA and Control (without the cultivation of Hymenachne grumosa). Reductions of the parameters of pollution loads were more significant in terms of BOD5 (58%), total phosphorous (63%) and especially in terms of ammonia nitrogen in integrated STW+MA+CWPMA, with a reduction of 100%. In terms of acute toxicity with Daphnia magna, detoxification was effective, with EC50 values ranging from 58 to 100%. The study developed obtained significant results that indicate this is a promising alternative in the treatment of wastewater for decentralized generating units, allowing greater reduction in eutrophic action.

Colmatação e desempenho de sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial ao longo de oito anos de operação / Clogging and performance of horizontal subsurface flow constructed wetlands over eight years of operation

RESUMO O presente trabalho objetivou avaliar as condições de funcionamento de dois sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial (SACs-EHSS), um plantado (SACP) com taboa (Typha latifolia) e outro mantido sem plantas (SACNP), ao longo de oito anos de operação, no tratamento de esgoto sanitário. Mediu-se a extensão do escoamento superficial, como indicativo da colmatação do meio poroso ao longo do tempo, além de diversas variáveis que possibilitem inferências sobre as possíveis perdas de eficiência do sistema na remoção de poluentes dessa água residuária. As avaliações indicaram que o meio poroso dos dois SACs se encontra colmatado (mais de 80% do leito apresentando escoamento superficial), estando o SACNP, atualmente, em pior situação, tendo havido prejuízo do seu potencial de remoção de sólidos e nitrogênio em relação ao SACP. Apesar disso, o desempenho em ambos os sistemas permanece satisfatório, não existindo tendência de decréscimo acentuado nas suas capacidades de remoção de poluentes, contrariando a expectativa e corroborando resultados obtidos em trabalhos de monitoramento desses sistemas por longos períodos de tempo. A carga aplicada e o tipo de pré-tratamento a que o esgoto foi submetido parecem ter sido mais decisivos na eficiência dos sistemas em remover nutrientes/poluentes do que o próprio período de operação das unidades, sobretudo no que se refere ao SACP.

ABSTRACT The objective of this work was to evaluate the conditions of operation of two horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSSF-CW), one planted (PCW) with cattail (Typha latifolia), and another, maintained without plants (NPCW), along eight years of operation in sewage treatment. The extent of the overland surface flow was measured as an indicative of the clogging of the pore medium over time, besides several variables that allow to infer possible losses of treatment efficiency in the pollutants removal from wastewater. Evaluations indicated that the porous medium of the two CWs is clogged (more than 80% of the bed with overland surface flow), and that the NPCW is currently in a worse condition, with a reduction of its solids and nitrogen removal potential in relation to the PCW. Despite this, the performance in both systems remains satisfactory, and there is no tendency of decrease in the capacity to remove pollutants, contrary to expectations, and corroborating the results obtained in works that monitored these systems for long periods of time. The load applied and the type of pretreatment to which the influent was submitted seem to have been more decisive in the systems' efficiency in removing nutrients/pollutants than the operating period of the unit, especially for the PCW.

Efeito da vegetação em sistemas alagados construídos para tratar águas residuárias da suinocultura / Effect of vegetation in constructed wetlands treating swine wastewater

RESUMO No presente trabalho, objetivou-se avaliar a influência da vegetação em sistemas alagados construídos (SACs) na remoção de poluentes da água residuária da suinocultura (ARS). O experimento foi constituído por três SACs, construídos em escala piloto. O SAC1 foi utilizado como controle, não sendo nele cultivada nenhuma espécie vegetal. No SAC2 foi plantada a taboa (Typha latifolia ), e no SAC3, o capim tifton-85 (Cynodon spp.). Quanto à remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e de sólidos suspensos totais (SST), não se constatou diferença entre os SACs (p>0,05), no entanto a eficiência de remoção de demanda química de oxigênio (DQO) foi diferente entre os SACs (p<0.05) - o SAC1 foi mais eficiente que o SAC2. Com exceção de Mg, o cultivo do capim tifton-85 e da taboa não influenciou (p>0,05) a remoção de macro nem de micronutrientes. A forma de cultivo nos SACs nem mesmo o tipo de espécie cultivada tiveram influência considerável na remoção de matéria orgânica, de macro e de micronutrientes da ARS.

ABSTRACT This study aimed to evaluate the influence of vegetation in constructed wetlands (CWs) in removing swine wastewater (SWW) pollutants. The experiment consisted of three CWs, built on a pilot scale. CW1 was used as control, and no plant species were cultivated in it. In CW2, cattail (Typha latifolia ) was planted, and in CW3, bermudagrass (Cynodon spp.). No difference was observed between the CWs regarding the removal of biochemical oxygen demand (BOD) and total suspended solids (TSS) (p>0.05). Chemical oxygen demand (COD) removal was different between the CWs (p<0.05) - CW1 was more efficient than CW2. With the exception of Mg, bermudagrass and cattail cultivation did not influence (p>0.05) the removal of macro and micronutrients. The form of cultivation in the CWs and even the type of species cultivated had considerable influence in the removal of organic matter and nutrients of SWW.

Remoção de matéria orgânica do esgoto em solo de wetland construído / Removal of organic matter fraction from sewage in constructed wetland soil

RESUMO Nos sistemas wetlands construídos os meios suportes tradicionalmente utilizados são areia grossa, cascalho, pedregulho e brita. Nesta pesquisa, foi utilizado o solo natural (Latossolo Vermelho-Amarelo) misturado com areia média, plantado (wetlands construídos) com arroz irrigado (Oryza sativa L.) ou não (controles). O objetivo foi avaliar a remoção de DBO dos esgotos domésticos pelos processos de imobilização do carbono da biomassa microbiana e da respiração basal (atividade microbiana). Foram utilizados três sistemas operando com taxas de aplicação hidráulica de 4, 8 e 15 cm.d1. Cada sistema apresentava três unidades wetlands construídos e três controles, as quais eram alimentadas com esgotos para tratamento, por fluxo vertical em regime não saturado, nas segundas, quartas e sextas-feiras, ficando os outros dias em descanso para aeração do solo. Os resultados mostraram que os solos foram capazes de reduzir as concentrações de DBO afluentes significativamente, com eficiência de remoção variando entre 97 e 99%. A remoção se deu pela mineralização da matéria orgânica e seu acúmulo no solo. Durante o início da aplicação do esgoto, houve inicialmente uma redução nos teores de matéria orgânica nativa do solo que passaram a aumentar paulatinamente com a aplicação dos esgotos. A atividade dos microrganismos decompositores aumentou proporcionalmente à taxa de aplicação de esgoto, porém taxas elevadas indicaram uma tendência à inibição dessa atividade. Nos solos das unidades controles, houve menores perdas de CO2 para a atmosfera, indicando uma maior imobilização do carbono nos solos.

ABSTRACT On constructed wetlands systems, the support media usually used are coarse sand, gravel, crushed stone and gravel. In this research, we used the natural soil (Oxisol) mixed with medium sand, planted with rice (Oryza sativa L .) and a control without plants. The objective was to evaluate the BOD removal through the immobilization of microbial biomass, basal respiration (microbial activity) and total organic carbon of the soil. We used three systems, operating with hydraulic application rates of 4, 8 e 15 cm.d-1. Each system had three units constructed wetlands and three controls, which were fed with sewage, with vertical flow unsaturated conditions, on Mondays, Wednesdays and Fridays, leaving the system with no feed on the rest of the days, for soil aeration. The results showed the soils were able to reduce significantly the BOD concentration, with removal efficiency ranging between 97 and 99%. The removal was due to the mineralization of organic matter and its accumulation in the soil. During the system start up operation, there was reduction in native soil organic matter, which started to increase gradually by the sewage application. The activity of microbial decomposers increased proportionally to the rate of sewage application, but high rates showed a trend to inhibition of this activity. In soils units controls showed minor loss of CO2 to the atmosphere, indicating a higher carbon immobilization in soils.

Experiências brasileiras com wetlands construídos aplicados ao tratamento de águas residuárias: parâmetros de projeto para sistemas horizontais / Brazilian experiences with constructed wetlands applied to wastewater treatment: design parameters for horizontal systems

A utilização no Brasil de sistemas tipo wetlands construídos no tratamento de águas residuárias iniciou no ano de 1980, intensificando-se a partir do ano 2000. O objetivo deste trabalho é apresentar um estado da arte da aplicação no Brasil dos wetlands construídos de escoamento subsuperficial de fluxo horizontal (WCFH), identificando parâmetros de projeto e dados operacionais. Aborda-se, inicialmente, uma classificação para os wetlands construídos, seguido dos parâmetros de projeto e operação dos WCFH, destacando os diferentes critérios de dimensionamento, tais como os modelos oriundos da cinética de primeira ordem aplicável aos reatores tipo pistão, a relação de área per capita, o carregamento orgânico superficial e a taxa hidráulica, bem como a composição das unidades de tratamento e as macrófitas empregadas.

The implementation of constructed wetlands for wastewater treatment in Brazil has started in the eighties, being intensified since the year 2000. The aim of this study is to present the state of art of implementation of horizontal sub-superficial flow constructed wetlands (HFCW) in Brazil, focusing on the identification of design parameters and operational data. Initially a classification for constructed wetlands is given, followed by design parameters and operational conditions for HFCW, highlighting different project criteria, e.g. models from first order kinetics for tubular piston reactors, the relation of superficial area per person, the organic superficial loading and the hydraulic loading, as well as the composition of units and macrophytes utilised.