Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/11624/3419
Autor(es): Colares, Gustavo Stolzenberg
Título: Integração de Wetlands construídos e células de combustível microbianas para o tratamento de efluentes urbanos com potencial geração de bioenergia.
Data do documento: 2022
Resumo: Diante das necessidades e potencialidades de aplicar tecnologias sustentáveis e descentralizadas para o tratamento de efluentes urbanos, os Wetlands Construídos (WCs) têm sido amplamente implementados e avaliados ao redor do mundo. Apesar de ser uma tecnologia consolidada, com o avanço do monitoramento analítico e do conceito de economia circular aplicado ao saneamento, novas pesquisas e aperfeiçoamentos se tornam necessários para otimizar o desempenho de tratamento, promover a recuperação de recursos, integração paisagística e o aumento da vida útil dos sistemas. Nesse contexto, a presente pesquisa teve como objetivo principal avaliar sistemas de tratamento em escala piloto combinando uma unidade anaeróbia composta por reator/biofiltro, diferentes configurações de WCs com células de combustível microbianas (CCM), e ainda unidades sequenciais preenchidas com material reativo adsorvente (argila expandida e tijolo picado). Os sistemas foram construídos e monitorados na estação de tratamento de efluentes (ETE) do campus da Universidade de Santa Cruz do Sul (UNISC), durante os anos de 2018 a 2021, quando foram alimentados com efluentes sanitários gerados no próprio campus universitário. O sistema de tratamento desenvolvido no presente trabalho foi composto por um biofiltro anaeróbio (1.450 L), 4 unidades de WCs de diferentes configurações (em tanques de 1000 L cada) e um filtro de areia com mídia reativa (200 L). A primeira unidade WC foi projetada como um Wetland Construído Flutuante (WCF), na qual um suporte mantinha as macrófitas em condições hidropônicas, e assim desempenhar a função semelhante a um decantador. As duas unidades WCs de fluxo vertical, preenchidas com brita (n. 0, n. 1 e n. 2) e seixos, foram vegetados com diferentes espécies de macrófitas, porém uma das unidades não apresentava zona de saturação enquanto a outra unidade possuía cerca de 80% do seu substrato saturado. Já o WC de fluxo horizontal subsuperficial, também preenchido com brita e seixos e vegetado com diferentes espécies, possuía também um compartimento no material filtrante preenchido com tijolos picados, visado principalmente a adsorção de P. No primeiro ano de doutorado, foram realizados estudos de revisão abordando os sistemas WCFs, assim como a concepção, o projeto e a construção das unidades de tratamento experimentais. A operação dos sistemas pode ser dividida em duas fases de aproximadamente 1 ano cada: um primeiro período com operação de regime em batelada (2019), e um segundo período com alimentação por pulsos (2021). Durante o ano de 2019, os sistemas de tratamento foram operados em fluxo de batelada com amostragem e alimentação semanal, por cerca de 12 meses e com aplicação aprox. de 13,6 L/m2 dia. Nesse período, os sistemas integrados promoveram de forma eficiente a remoção de matéria orgânica (82% para DBO5 e 81% para COT), carga eutrofizante (87, 68 e 93% respectivamente para fósforo total, nitrogênio total e nitrogênio amoniacal) e outros parâmetros monitorados, como turbidez (94,3%), coliformes totais (superiores a 4 unidades logarítmicas ou >99,99%) e sólidos suspensos (100%). Nos anos seguintes, a operação das unidades passou a ser automatizada e através de pulsos ao longo do dia (3 a 6 pulsos), dessa forma se aproximando da realidade de estações de tratamento em escala real. Durante 13 meses com o sistema operando através de pulsos, foram avaliadas 3 diferentes taxas de aplicação: 20,5 L/m2 dia (durante 5 meses), 41 L/m2 dia (durante 5 meses) e 61,6 L/ m2 d (durante 3 meses), considerando a área superficial dos WCs (4 unidades com 1,84 m2 cada). Nesse segundo período de monitoramento, as eficiências médias de desempenho de tratamento foram inferiores às verificadas previamente, principalmente devido ao aumento das cargas de aplicação de DBO5, DQO e nutrientes. Nas melhores condições de desempenho, para os sistemas WCF + WC-CCM (Sistema WC integrado a células de combustível microbianas) e WC fluxo vertical + WC fluxo horizontal, foram obtidas eficiências médias de remoção de 92% e 89% de DBO5, considerando taxas médias de aplicação de 4,1 e 2,1 gDBO5/m2 dia, respectivamente. Em relação à geração de bioenergia, foram testados diferentes materiais como eletrodos (grafite, carvão ativado e aço inoxidável - aço inox AISI 304), além de diferentes espaçamentos entre os eletrodos em uma unidade de WC de fluxo vertical e uma WCF. Apesar de valores elevados de voltagem serem identificados (com picos de 687 mV com carvão ativado granular como eletrodo, e potências máximas de 0,003 mW/m2 (área do WC) e 0,57 mW/m2 considerando a área superficial anódica), a potência gerada pelos sistemas ainda é limitada. Verificou-se que fatores como a área superficial dos eletrodos, a altura da lâmina d?água e o comprimento das raízes influenciaram os valores de voltagem monitorados. Dessa forma, os resultados obtidos demonstraram que o sistema combinado desenvolvido apresentou eficiência no tratamento dos efluentes urbanos. Entretanto, no âmbito de geração e aproveitamento de bioeletricidade, a partir do tratamento de efluentes, por exemplo para alimentar biossensores ou acender lâmpadas LED (com potências necessárias na ordem de mW), pesquisas futuras devem ser desenvolvidas visando melhor compreender e aperfeiçoar os mecanismos de geração de energia sem inviabilizar a aplicação da tecnologia em escala piloto e real.
Resumo em outro idioma: Given the necessity and potential application of sustainable and decentralized treatment technologies for urban wastewaters, the Constructed Wetland (CW) systems have been widely implemented and investigated around the world. Despite being an already consolidated technology, with the advances of analytical monitoring and of the concept of circular economy in sanitation, new research and improvements are necessary to optimize the treatment performance, promote the recovery of resources and landscape integration, as well as increase the treatment systems lifespan. In this context, the main objective of the present research was to develop pilot scale treatment systems combining an anaerobic reactor/biofilter unit, different configurations of CWs with microbial fuel cells and units filled with adsorbent reactive material (light expanded clay aggregate, or LECA, and broken bricks). The treatment system was constructed and operated in the University of Santa Cruz do Sul wastewater treatment plant (WWTP), from 2018 to 2021, with the units being fed with the wastewater generated in the university campus. The developed treatment system was composed of an anaerobic biofilter (1,450 L), 4 CW units with different configurations (each of 1000 L) and a filter unit (200 L) filled with reactive media. The first CW unit was designed as a Floating Treatment Wetland (FTW), in which a buoyant support kept the plant under hydroponic conditions, acting similar to a decanter. The two vertical flow CW units, filled with gravel n. 0, n. 1 and n. 2 and pebbles, were vegetated with different plant species, one of the units without substrate saturation and the other unit 80% saturated. The horizontal subsurface flow CW was also filled with gravel and pebbles and vegetated with different plant species, but this unit had a compartment filled with broken bricks aiming for P adsorption. In the first doctorate year, a review study was carried out regarding Floating treatment wetland (FTW) systems, as well as the conception, project and construction of the experimental treatment units. The system operation can be divided in two phases of approximately 1 year each: a first period of operation under batch flow (2019) and later with pulse feeding (2021). During 2019, the treatment systems were operated under batch flow, with weekly sampling and feeding with wastewater, with loading rates of 13,6 L/m2 day. During this period, the integrated systems efficiently promoted the removals of organic matter (82% for BOD5 and 81% for TOC), eutrophication potential (87%, 68% and 93% for total P, total N and ammonia nitrogen, respectively), and other monitored parameters, such as turbidity (94%) and total coliforms (4 log units or >99.99%) and suspended solids (100%). However, in the following years, the unit’s operation was changed to automated (with 3 to 6 short pulses everyday), therefore approaching the operation conditions usually adopted in full-scale WWTPs. During 13 months of operation, three different application rates in the treatment systems were performed: 20.5 L/m2 day (for 5 months), 41 L/m2 day (for 5 months) and 61.6 L/m2 d (for 3 months), considering the superficial area of the CWs. In this second monitoring period, the obtained mean efficiencies concerning the treatment performance were lower than those previously verified, mainly due to the increase in BOD5, COD and nutrients loadings. Under the best performance conditions, for the FTW + CW-MFC and Vertical Flow CW + Horizontal Flow CW, average removal efficiencies of 92% and 89% were obtained for BOD5, considering mean areal application rates of 4.1 and 2.1 gBOD5/day, respectively. Regarding bioenergy generation, different electrode materials were tested (graphite, granular activated carbon and stainless steel – AISI 304), besides different electrode spacing in a vertical flow CW and in FTW systems. Although high voltage values between the electrodes were verified (with peaks of 687 mV with granular activated carbon as electrode and maximum of 0.003 mW/m2 considering the WC superficial area and 0.57 mW/m2 , based on the anode area) the current power output generated by the systems is still limited. It was observed that factors such as the electrode surface area, the water level (substrate saturation) and plant roots influenced the monitored voltage values. Therefore, the obtained results demonstrated that the developed combined systems were efficient in the treatment of urban wastewaters. However, concerning bioenergy generation, for examples to power biosensors or LED lights (with necessary powers of a few mWs), further studies must be carried in order to better understand and improve the mechanisms of bioelectricity generation, without compromising the application of the CW-MFC units in pilot and real-scale treating real wastewaters.
Nota: Inclui bibliografia.
Instituição: Universidade de Santa Cruz do Sul
Curso/Programa: Programa de Pós-graduação em Tecnologia Ambiental
Tipo de obra: Tese de Doutorado
Assunto: Microalgas
Wetlands
Saneamento
Eletrofisiologia
Esgotos
Impacto ambiental
Tecnologia ambiental
Orientador(es): Machado, Ênio Leandro
Coorientador(es): Rodrigues, Lúcia Helena Ribeiro
Aparece nas coleções:Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental – Mestrado e Doutorado

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