A nova COPAM CERH/MG 08/22 estabelece limites para o lançamento de nitrogênio amoniacal no estado de Minas Gerais, seguindo padrões já adotados em outros estados brasileiros. A sua ETE está em sintonia com a nova legislação? Quais arranjos tecnológicos são capazes de atender a esse parâmetro?
No final de 2022 a legislação mineira mudou. A partir de então, a concentração de Nitrogênio Amoniacal nos efluentes de ETE tem deve ser inferior a 20 mg/L. Com essa nova exigência, as estações de tratamento devem alcançar desempenhos superiores e será necessária uma revisão do parque de tecnologias de tratamento no estado. Com esse novo cenário surgem algumas perguntas:
Quais seriam as tecnologias ou processos que permitiriam aos operadores de saneamento alcançar essa nova exigência?
Será que os processos anaeróbios vão continuar sendo viáveis sem uma combinação com sistemas aeróbios?
Como ficam os custos operacionais dessas novas combinações de processo se mantivermos as tecnologias aeróbias tradicionais?
Seria viável (econômica e tecnicamente) manter essas operações de saneamento funcionando no longo prazo?
E, por fim, como os wetlands construídos poderiam contribuir neste cenário?
Motivados por esta importante alteração legal, nosso time vem discutir como os wetlands construídos poderiam contribuir neste cenário.
Nova Deliberação Normativa de Minas Gerais
A DN COPAM-CERH 08/2022 estabeleceu um novo limite para o lançamento de nitrogênio amoniacal em corpos receptores, exigindo, dessa forma, que as Estações de Tratamento de Efluentes atinjam uma concentração final de no mínimo 20 mg/L.
Assim, vai ser necessário que as ETE exclusivamente anaeróbias passem por um retrofit, incluindo ao sistema pelo menos uma etapa aeróbia.
Mas as tecnologias anaeróbias não conseguem atender a esse parâmetro? Por que é necessário uma etapa aeróbia?
Para avançar, precisamos entender os fundamentos da remoção de nitrogênio.
Fundamentos básicos da remoção de Nitrogênio Amoniacal
O Nitrogênio Amoniacal, é uma forma de nitrogênio que se encontra na forma de íons amônio (NH4+) dissolvidos em água ou presentes em compostos químicos que contêm amônia.
A presença elevada de nitrogênio amoniacal na água pode ser prejudicial aos ecossistemas aquáticos. Esse composto é tóxico para muitas formas de vida aquática, especialmente peixes e outros organismos sensíveis. A conversão de nitrogênio amoniacal a nitrato consome oxigênio dissolvido na massa d'água, por isso, é tão importante monitorar e controlar os níveis de nitrogênio em efluentes a serem lançados em corpos receptores.
Nas estações de tratamento biológicas, o processo responsável pela remoção de nitrogênio amoniacal é a nitrificação.
A nitrificação é a conversão dos íons amônio (NH4+) em nitrito (NO2-) e deste a nitrato (NO3-). Esse processo ocorre em condições aeróbias, onde os microrganismos utilizam o oxigênio para respiração.
Equação da nitrificação
Na reação de nitrificação há produção de íons H+, o que substancialmente, gera um consumo de alcalinidade e consequentemente redução de pH. Esse declínio do pH inibe a atividade das bactérias nitrificantes e reduz a eficiência da remoção do nitrogênio amoniacal.
Portanto, para que ocorra a remoção de nitrogênio amoniacal, é necessário uma etapa aeróbia e um equilíbrio de alcalinidade.
Quais são as limitações da remoção do nitrogênio amoniacal?
1. Concentração de oxigênio dissolvido (O2 dissolvido)
As bactérias nitrificantes são aeróbias, o que significa que requerem oxigênio para realizar a nitrificação. Durante esse processo, o oxigênio dissolvido na água é consumido pelas bactérias para oxidar o amônio em nitrito e, em seguida, oxidar o nitrito em nitrato. Portanto, para que a nitrificação ocorra de forma eficiente, é necessário garantir que haja um nível adequado de oxigênio dissolvido na água. Se houver uma baixa concentração de OD, a atividade das bactérias nitrificantes pode ser prejudicada e a remoção de nitrogênio amoniacal será comprometida.
Para criar um ambiente aeróbio, há diferentes meios de fornecer ar. Há reatores que trabalham com aeração forçada, como os Lodos Ativados, Biofiltros Aerados Submersos, wetlands horizontais aerados e há reatores que trabalham com aeração passiva, como os filtros biológicos percoladores e os wetlands verticais. Há ainda as lagoas facultativas e de alta taxa, que utilizam o oxigênio das algas para tornar o ambiente aeróbio.
Assim, em função da necessidade de oxigênio, é preciso que o sistema seja aeróbio.
2. Concentração de Matéria Orgânica (DBO/DQO)
A presença de matéria orgânica em excesso no reator inibe a nitrificação, isso por que as bactérias heterotróficas competem pelo oxigênio com as autotróficas nitrificantes.
Ou seja, para remover Nitrogênio Amoniacal a ETE precisa ter maior desempenho de remoção de Matéria Orgânica. Ou seja, indiretamente, a atribuição de um novo limite legal para Nitrogênio, exige um novo limite para DBO e DQO.
3. Alcalinidade
A alcalinidade influencia a atividade microbiana e, portanto, pode afetar a eficiência do processo de nitrificação. Bactérias nitrificantes são sensíveis a alterações no pH e requerem condições adequadas para o seu crescimento e atividade. Geralmente, pH em torno de 7 a 8 é considerado favorável para a nitrificação. A alcalinidade ajuda a manter o pH dentro de uma faixa adequada para as bactérias nitrificantes, fornecendo uma capacidade de neutralização contra os ácidos produzidos durante o processo de nitrificação.
Portanto, para que a nitrificação seja bem sucedida, será necessário um controle operacional mais refinado!
Mas e nos wetlands construídos, como o nitrogênio amoniacal é removido?
Respondendo de forma simples e objetiva: da mesma maneira que em outros processos!! É a biomassa autotrófica nitrificante que realiza esse processo, da mesma forma que em um filtro biológico percolador ou um biofiltro aerado submerso.
Mas, existem diferentes tipologias e arranjos de wetlands construídos. Neste artigo falaremos de 5 principais arranjos:
1) Wetlands francês de duplo estágio
Os sistemas wetlands de escoamento vertical (sistema francês convencional) funcionam tratando esgoto bruto, eliminando a necessidade de tratamento primário (por exemplo, tanques sépticos ou UASB). Entretanto, não dispensando, é claro, um bom tratamento preliminar.
Essa tecnologia opera em condições aeróbias, garantidas pelo regime de alimentação em bateladas, mantendo um meio não saturado e garantindo o transporte de oxigênio para o interior do leito por convecção. O efluente infiltra e percola verticalmente pelo meio filtrante, sendo coletado pela rede de drenagem localizada no fundo. Esse fluxo intermitente cria ciclos de aplicação de esgoto, percolação e drenagem, resultando em condições aeróbias no reator.
Esse sistema consiste em dois estágios: no primeiro estágio, existem três filtros em paralelo, com ciclos alternados de alimentação e repouso (normalmente 3,5 dias de alimentação e 7,0 dias de repouso). O segundo estágio consiste em duas unidades filtrantes em paralelo, também com ciclos alternados de alimentação e repouso (normalmente 3,5 dias de alimentação e 3,5 dias de repouso), recebendo o efluente do primeiro estágio.
Nessas condições, a área total demandada é de 2m²/habitante, sendo 1,2m² para o primeiro estágio e 0,8m² para o segundo estágio.
Em condições europeias, a remoção de nitrogênio amoniacal utilizando esse arranjo é quase total.
Como exemplo, na ETE Wetlands de Roussilon, França (utilizando o arranjo convencional francês), o Nitrogênio Kjeldahl Total (nitrogênio amoniacal + nitrogênio orgânico) atingiu 95% de eficiência de remoção.
Conheça esse e outros estudos de caso usando diversas tipologias de wetlands construídos no livro "Treatment Wetlands" publicado em outubro de 2017 pela IWA e com autoria de Gabriela Dotro, Günter Langergraber, Pascal Molle, Jaime Nivala, Jaume Puigagut, Otto Stein e Marcos von Sperling. Disponível gratuitamente no link:
2) Wetlands Francês utilizando apenas o primeiro estágio (3 leitos em paralelo com fundo livre)
Utilizando o mesmo princípio do arranjo anterior, esse sistema quando aplicado em áreas de clima tropical (caso do Brasil), pode ter a área reduzida para 1,2 m² por equivalente populacional, assim, utilizando apenas os 3 leitos da primeira bateria!
Essa redução é justificada pela maior atividade cinética dos microrganismos devido ao clima mais quente, o que resulta em uma maior eficiência de desempenho.
Na pesquisa realizada pela Enga. MSc. Lívia Cristina Oliveira Lana, foi analisado um wetlands do tipo francês utilizando apenas o primeiro estágio. Cada unidade recebeu esgoto bruto por dois dias e meio e permaneceu sem alimentação por quatro dias e meio.
O sistema em escala de demonstração esteve implantado na cidade de Belo Horizonte, atendendo a uma população de cerca de 100 habitantes recebendo uma fração do esgoto da cidade (dentro da ETE Arrudas). Como resultado, o sistema apresentou eficiência de remoção de 59% para nitrogênio amoniacal, além de 82% para DBO e 81% de DQO.
Nesse caso a remoção de N-NH4 poderia ter sido mais eficiente, assim como a remoção de matéria orgânica, contudo, a depender das concentrações afluentes, esse valor pode atender a legislação. Na pesquisa em questão, a concentração média afluente de nitrogênio foi de 26 mg/L, enquanto a concentração média efluente foi de 11mg/L. Esse resultado atende com folga a legislação vigente a partir de 2022 em Minas Gerais!
Esses resultados revelam ainda, que é viável trabalhar com áreas menores do que as adotadas em países de clima temperado e, ao mesmo tempo, atender às exigências legais de lançamento de efluentes.
Já em sistemas mais intensificados a remoção de nitrogênio chega próximo à totalidade, e é isso que veremos no próximo item!
Simulação virtual de um sistema Wetlands Construídos utilizando apenas três leitos.
3) Wetlands com dois leitos em paralelo com fundo saturado sem aeração
Outra opção interessante de arranjo são os wetlands com dois leitos em paralelo com fundo saturado sem aeração. Isso corresponde, grosso modo, a sobrepor um wetlands de fluxo vertical a um wetlands de fluxo horizontal!
Esse arranjo é capaz de criar condições para nitrificação e desnitrificação no mesmo reator, já que o estabelecimento de uma zona saturada no fundo do leito cria condições anóxicas e a parte superior do reator (que funciona como um wetlands de fluxo vertical) atua como a parte aerada da solução, permitindo que os dois processos ocorram simultaneamente e que atinja um nível elevado de eficiência.
É interessante pensar que esse sistema demanda menos área do que os wetlands de sistema francês convencional, já que apenas dois leitos em paralelo são capazes de produzir um efluente final com elevada eficiência, quando aplicado em regiões de clima tropical.
Na Tese da Enga. Dra. Camila Maria Trein, foi investigado um sistema do tipo wetland construído vertical - Sistema Francês modificado, operando em condições climáticas subtropicais brasileiras. Com apenas duas unidades em operação, representando área de 0,6 m²/EP, o sistema estudado estava localizado no Centro de Treinamento e Pesquisa em Saneamento (CePTS UFMG/Copasa), Belo Horizonte.
O wetlands de fundo saturado e interligado com a unidade ao lado, apresentou eficiência de remoção de NTK de 50% na primeira unidade e 42% na segunda. Com dito no item anterior, a depender das concentrações afluentes, essa eficiência já atende a legislação.
Leia a tese completa em:
https://sucupira.capes.gov.br/sucupira/public/consultas/coleta/trabalhoConclusao/viewTrabalhoConclusao.jsf?popup=true&id_trabalho=9972344.
Uma opção para aumentar o desempenho é implementar um sistema de recirculação, assim, o esgoto bruto é diluído e a matéria orgânica decresce, alcançando resultados melhores na nitrificação! Com esse arranjo é possível atingir uma remoção de até 80% de NTK!
Simulação virtual de um sistema Wetlands Construídos utilizando apenas dois leitos
4) Wetlands de fundo saturado e aerado, com apenas dois leitos em paralelo
O arranjo de wetlands com fundo saturado e aerado, apresenta resultados excelentes quando implementados em locais de clima tropical posto que o clima mais quente melhora o desempenho da ETE, especialmente para a nitrificação. Dessa maneira é possível reduzir o requisito de área da estação de tratamento, reduzindo o número total de leitos para apenas dois.
Segundo o estudo realizado pela equipe do Dr. Pascal Molle, esse arranjo pode alcançar uma eficiência de nitrificação de 90%. Esse sistema de wetlands com fundo saturado e aerado possui a vantagem de ocupar uma área relativamente pequena, utilizando apenas 0,8 m² por equivalente populacional.
Clique aqui e acesse o artigo completo!
Mas e os custos com aeração? Não inviabilizam a implantação?
O custo energético é baixo e se comparado com o benefício que traz, vale muito a pena.
A combinação de alta eficiência na remoção de contaminantes e baixo custo operacional torna essa configuração uma opção altamente atrativa para operações de tratamento de efluentes sanitários em indústrias e municípios. Esse arranjo é especialmente relevante no contexto brasileiro, onde, além do clima quente predominante, a grande maioria dos muitos municípios são de pequeno porte, o que viabiliza a implementação desses sistemas. A utilização de wetlands é considerada uma alternativa sustentável e de baixo impacto ambiental para o tratamento de águas, efluentes e lodos, e a adoção do arranjo com fundo saturado e aerado tem o potencial de ampliar ainda mais esses benefícios.
Simulação virtual de um sistema Wetlands Construídos utilizando 0,8m²/por hab.
5) Wetlands horizontais aerados
Nos Wetlands Horizontais o leito permanece constantemente alagado e pela presença da vegetação cria-se um ambiente ecologicamente complexo abaixo da superfície o que permite a ocorrência simultânea de vários mecanismos de tratamento. A aeração proporciona uma maior eficiência de desempenho no tratamento dos efluentes!
Em um dos nossos cases, tratando efluente sanitário industrial, nós utilizamos um taque séptico compartimentado, seguido de wetland de escoamento horizontal aerado e um wetland de escoamento horizontal sem aeração. O programa de monitoramento foi dividido em duas campanhas, sendo uma extensiva, com frequência mensal e outra intensiva, com frequência semanal ao longo de 1 mês. Veja a seguir a série temporal de DBO e Nitrogênio Amoniacal:
Série temporal campanha extensiva - DBO.
Série temporal campanha intensiva - Nitrogênio Amoniacal.
Os resultados revelam elevadas eficiências na remoção de DBO em até 99% e de DQO em até 98%, garantindo atendimento à 100% da legislação nos parâmetros DBO, DQO, SST, Óleos e Graxas e Surfactantes. Além disso, o sistema foi capaz de remover nitrogênio amoniacal, resultando em uma concentração efluente média igual a 16 mg/L, atendendo também a nova legislação mineira, contudo, acredita-se que com procedimentos operacionais de substituição da bomba elevatória trituradora e correção de pH seja possível aumentar significativamente o desempenho do wetland horizontal aerado na remoção deste parâmetro. Confira no nosso canal do YouTube, um vídeo descritivo deste case: https://youtu.be/rxcsz4jC6e4
Pesquisadores da UFZ (Centro Helmholtz para Pesquisas Ambientais), analisaram durante um ano, o comportamento de vários sistemas wetlands com diferentes tipos de escoamento, alturas de meio suporte, tipo de meio suporte presença ou ausência de vegetação e mecanização parcial (aeração e recirculação). O sistema de wetlands horizontal aerado foi um dos arranjos analisados e segundo o estudo, a eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal foi de 99,1%, chegando quase a totalidade! Você pode acessar esse artigo em: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969718350101?via%3Dihub
Em um recente artigo nós mostramos a eficiência dos wetlands construídos a partir da análise de 3 importantes publicações científicas, veja: https://www.wetlands.com.br/post/conheça-as-eficiências-de-desempenho-dos-wetlands-atravéss-de-3-relevantes-publicações-científicas
Para saber mais....
Se você quiser conhecer outras referências sobre a nitrificação em wetlands construídos e a redução de pegada, faça uma busca em sites como: Google Scholar, Science Direct e PubMed, Busque por palavrar chaves, por exemplo: "wetlands aerados", "two parallel filters", "wetlands treatment systems", "wetlands nitrification"...
E então, as suas operações removem com eficiência nitrogênio amoniacal? Vamos adequar a sua ETE à nova legislação?! Entre em contato com a gente!
Conheça também as eficiências de desempenho dos wetlands através de 3 relevantes publicações científicas clicando aqui.
Wetlands Construídos
Construindo um futuro em sintonia com planeta