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http://hdl.handle.net/1843/BUBD-A3JGV8| Type: | Tese de Doutorado |
| Title: | Colmatação em sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial: principais fatores e métodos de identificação em unidades plantadas e não plantadas |
| Authors: | Mateus Pimentel de Matos |
| First Advisor: | Marcos Von Sperling |
| First Co-advisor: | Antonio Teixeira de Matos |
| First Referee: | Cesar Rossas Mota Filho |
| Second Referee: | Gustavo Ferreira Simoes |
| Third Referee: | Liovando Marciano da Costa |
| metadata.dc.contributor.referee4: | Ronaldo Fia |
| Abstract: | A colmatação em sistemas alagados construídos (SACs) tem merecido atenção em diversos estudos, entretanto, ainda assim, o entendimento sobre esse fenômeno apresenta diversas lacunas, notadamente no que se refere à sua gênese. Além disso, ainda não se dispõe de um método que possibilite uma caracterização, de forma precisa, do grau de colmatação do leito. Assim, neste trabalho, visou-se avaliar os principais fatores interferentes na colmatação de sistemas alagados construídos de escoamento horizontal subsuperficial (SACs-EHSS), em funcionamento há 8 anos, bem como utilizar de métodos para a caracterização do grau de obstrução do meio poroso dos leitos. As unidades avaliadas foram dois SACs-EHSS, de 25,0 x 3,0 m, preenchidos com escória de alto forno (d10 = 19,1 mm) até a altura de 0,40 m, proporcionando porosidade de 0,40 m3 m-3 no leito. Os sistemas foram continuamente alimentados com esgoto sanitário previamente tratado, nas Fases I e III por reatores UASB, e na Fase II, por reator UASB mais filtro biológico percolador aberto (FBPA), numa vazão afluente em torno de 7,5 m3 d-1, escoando horizontalmente, com nível d´água a 10 cm da superfície. Para observar se a presença das plantas atenua ou acelera a colmatação, uma das unidades foi cultivada com taboa (Typha latifolia) (SAC P), enquanto a outra foi mantida sem plantas (SAC C). Com o intuito de investigar a possível perda de eficiência, dada a colmatação das unidades, as três fases de operação dos SACs foram divididas em subfases, tendo como base, o período de crescimento da espécie, entre cortes da parte aérea. Assim, compararam-se estatisticamente, por testes não paramétricos, as eficiências de remoção de DBO, DQO, série de sólidos, nitrogênio amoniacal Kjeldahl (NTK), nitratos e nitritos, sulfatos e fosfatos, nas subfases de cada período. Os métodos avaliados para caracterização do grau de colmatação foram: Método do Permeâmetro de Carga Variável (PCV), para obtenção da condutividade hidráulica em meio poroso saturado (ks); método direto, com extração dos sólidos do leito; teste hidrodinâmico com traçador, usando NaCl; e sondagens com GPR, utilizando antenas de frequências de 1,6 GHz, para obter imagens das seções transversais, no intuito de estimar a porosidade, e de 200 MHz, para investigação de possíveis pontos de infiltração/percolação. Todas as respostas geradas foram comparadas às obtidas pelas análises visuais de campo, aferindo-se a extensão do escoamento superficial e do nível d'água nas duas unidades. Como os dois SACs já estão sendo operados por grande período de tempo, os padrões das imagens geradas pelo GPR foram comparadas àquelas observadas em outra unidade de tratamento de águas residuárias, recém instalada, que é o Filtro Grosseiro de Pedras (FG), com esperado menor acúmulo de sólidos. Essa lagoa de 25,0 x 5,25 m, preenchida com material filtrante, recebe, desde julho de 2014, efluente de duas lagoas de polimento em série, operando de forma semelhante a um SAC não plantado, com a peculiaridade de ter em seu leito, 3 diferentes granulometrias ao longo do comprimento (brita #3, 2 e 1, nessa ordem). As amostras de sólidos de colmatação foram coletadas nos SACs, para determinação do teor de sólidos totais (ST), voláteis (SV) e fixos (SF), massa específica (), poder neutralizante (PN), além da caracterização química e mineralógica do material, resultados que foram comparados aos obtidos no substrato, a fim de possibilitar uma avaliação da origem dos sólidos colmatantes do meio poroso. Com o mesmo objetivo, amostras da escória coletada nos SACs tiveram analisadas sua composição granulométrica, porosidade total e área superficial específica (ASE). Os resultados indicaram que o SAC C encontra-se mais colmatado, apresentando maior extensão de escoamento horizontal, apesar de apresentar melhor condição hidrodinâmica nos primeiros metros do sistema, onde a lâmina de água residuária em escoamento superficial é menor que no leito plantado. A expansão do espaço poroso no SAC P, proporcionado pelas raízes, propicia melhor recuperação das condições hidrodinâmicas do leito, tanto espacialmente como temporalmente, já que 5 anos antes o SAC P encontrava-se em pior situação. O teste com traçador salino confirmou essas observações, indicando maior eficiência volumétrica no SAC P. A caracterização dos SACs a partir da relação SV/ST e das imagens geradas pelo GPR também corroboram com o que foi averiguado visualmente. As sondagens com a antena de maior frequência propiciaram a identificação das regiões mais críticas, em termos de concentração de sólidos e porosidade total nos leitos, que foram coincidentes com observações de campo, também permitindo estimar a porosidade de cada seção, a partir de equações desenvolvidas por avaliação do padrão de cores. Diferentemente, a condutividade hidráulica medida utilizando-se o PCV não possibilitou uma descrição adequada das atuais condições, em termos de grau de colmatação nos SACs. Soma-se a isso a dificuldade de condução dos testes e medição dos valores de ks, sobretudo à medida que a situação dessas unidades de tratamento se tornam mais críticas. Dessa forma, modificações na metodologia são necessárias, para que se possa efetuar as medições in situ ou por meio da avaliação em amostras indeformadas retiradas dos leitos. A análise das determinações feitas dos sólidos de colmatação indicou que há grande predomínio de componentes inorgânicos, e que com o desgaste da escória, tendem a aumentar. No entanto, apesar de estar em menor concentração, o material orgânico é que mais influencia na obstrução dos poros, dada a sua menor massa específica e características hidrofílicas, havendo coincidência entre sua maior proporção e os pontos mais críticos, em termos de colmatação, nos SACs. A prospecção com a antena de maior profundidade de penetração permitiu ainda evidenciar um possível ponto de falha da compactação da argila no SAC P, com risco de infiltração/percolação do líquido que está sendo tratado. |
| Abstract: | Clogging in constructed wetlands (CWs) has received attention in several studies, but the understanding of this phenomenon still requires substantial clarifications, especially in relation to its genesis. Moreover, there is no available method that allows a precise characterization of the bed conditions. Thus, this study aims to evaluate the main influencing factors of clogging on horizontal subsurface flow constructed wetlands (HSSF-CWs) units in operation for eight years, as well as to use methods to characterize the obstruction degree of the bed media porous. The units evaluated were two HSSF-CWs, with 25.0 x 3.0 meters, filled with blast furnace slag (d = 19.1 mm) until the height of 0.40 m, proividing porosity of 0.40 m3 m-3 in the bed. The systems are continuously fed with sewage previously treated, in Phases I and III by UASB reactors, and in Phase II, by UASB and open trickling filter (OTF), with a flow of 7.5 m3 d-1 horizontally flowing at 10 cm below the surface. To observe if the plants presence attenuates or accelerates clogging, one of the units was cultivated with cattail (Typha latifolia) (P-CW), while the other was maintained without plants (C-CW). In order to investigate the possible loss of efficiency due to clogging, the three phases were divided into sub-phases, based on the cycle periods between cuttings. Thus, the removal efficiencies of BOD, COD, solids, ammonia, Total Kjeldahl Nitrogen (TKN), nitrates and nitrites, sulfates and phosphates of each sub-phase were compared statistically by non-parametric tests. The methods evaluated to characterize the degree of clogging were: Falling Head Method (FHM) to obtain the hydraulic conductivity in saturated porous medium; direct method, with extraction of solids from the bed; tracer tests using NaCl; and probing with GPR, using antennas of different frequencies: 1.6 GHz, to obtain images of the cross sections in order to estimate the porosity, and 200 MHz to investigate potential points of infiltration/percolation. All the results derived were compared to those obtained by the visual field analysis, measuring the extent of the surface runoff and the water level on both units. As the two units are being operated for a long period, the pattern of their generated images was compared with another treatment unit recently installed, which is a Coarse Rock Filter, with an expected less solids concentration. This unplanted rock filter of 25.0 x 5.25 m, receives, since July 2014, the effluent from two maturation ponds in series, operating similarly to a not planted CW with the peculiarity to have three different particle sizes (gravel # 3, 2 and 1, in that order). Samples of clogging solids were collected at CW for determination of total (TS), volatile (VS) and fixed solids (FS), specific gravity (), neutralizing power (NP), and the chemical and mineralogical characterization of the material. These results were compared to those obtained on the substrate to enable an evaluation of the origin of the clogging solids. With the same objective, slag samples collected in the CWs had its particle size composition, porosity and specific surface area (SSA) analyzed. The results indicated that C-CW is currently more clogged, with a higher extension of surface flow, despite having better hydrodynamic condition in the first meters of the unit, where the wastewater height is less than that observed in P-CW. The expansion in the pore space P-CW, provided by the roots, caused better recovery of bed hydrodynamic conditions, both spatially and temporally, since five years ago, P-CW was in a worse condition. The test with saline tracer confirmed these observations, indicating a higher volumetric efficiency in the P-CW. The characterization of CWs from the VS/TS ratio and from images generated by the GPR also corroborate what was examined visually. The probe with the highest frequency antenna provided the identification of the most critical region in terms of solids concentration and total porosity in the beds, which were coincident with field observations, allowing the estimation of the porosity of each section with the use of equations developed for evaluation of the color standard. Differently, hydraulic conductivity, measured using the FHM, did not allow an adequate description of current conditions in terms of degree of clogging in the CWs. Added to this, the difficulty of conducting the test and measurement values of ks, especially as the state of these treatment units become more critical. Thus, changes in the methodology are necessary, to enable making measurements in situ or by assessing undisturbed samples taken from the beds. The analysis of made from clogging solids indicated that there is a great predominance of inorganic components, and with the wear of the slag it tends to increase. However, in spite of being in low concentration, the organic material is that most influences the pore clogging, due to its lower specific gravity and hydrophilic characteristics, with a matching of their larger proportion and the most critical points in terms of clogging in CW. Prospecting with the antenna for greater penetration depth allowed the identification of a possible point of failure of the clay lining in P-CW, with risk of infiltration/percolation of the liquid being treated. |
| Subject: | Saneamento |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUBD-A3JGV8 |
| Issue Date: | 8-Oct-2015 |
| Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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