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Optimization of continuous vermifiltration processes for small communities
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Abstract(s)
Esta tese foca-se no estudo da optimização de um processo descentralizado de vermifiltração para tratamento de água residual urbana. O processo é avaliado tanto sob o ponto de vista técnico e ambiental numa perspectiva de sustentabilidade, no qual se incluem a optimização de um sistema de vermifiltração em pequena-escala, complementado com estudos de análise de ciclo de vida.
As tecnologias de tratamento de água residual incluem sistemas centralizados, mais comuns em zonas urbanas, e sistemas descentralizados, mais comuns em aglomerados populacionais dispersos e pequenas comunidades rurais. Os sistemas descentralizados têm vindo progressivamente a ser considerados como soluções mais sustentáveis. Muitos não requerem fornecimento de electricidade, operação dispendiosa ou sofisticada, sendo de fácil adaptação em diferentes contextos geográficos. Os sistemas secos controlados são aconselhados para regiões áridas e aglomerados dispersos sem sistemas centralizados de saneamento. Dado que diversas tecnologias descentralizadas secas e húmidas poderão ser importantes fontes de contaminação, encontram-se em aberto diversas oportunidades para investigação, incluindo, não apenas a conversão de sistemas rudimentares em sistemas controlados nas tecnologias secas, como também a inclusão de sistemas de tratamento secundário como completamento aos sistemas de tratamento primário nas tecnologias húmidas.
A vermifiltração combina filtração com vermicompostagem, tratando-se de uma tecnologia sustentável e de baixo custo que apresenta elevadas eficiências de tratamento, mesmo quando sujeita a reduzidos caudais de água residual. Tem sido aplicada com sucesso em habitações, pequenas ETAR, tanto para águas residuais urbanas como industriais.
Numa primeira fase, procedeu-se à optimização do sistema de vermifiltração. O procedimento envolveu a identificação das melhores variáveis hidráulicas, densidade de minhocas, e configuração do sistema, na avaliação de um sistema unitário e um sistema sequencial. As eficiências óptimas de tratamento foram obtidas para um tempo de retenção hidráulico de 6 horas, um caudal hidráulico de 0.89 m3 m-2 dia-1, e 177.6 g CBO m-2 dia-1 de taxa de carga orgânica. As melhores eficiências foram obtidas para uma densidade de minhocas de 20 g L-1 tendo sido atingidos valores para CBO5, CQO, SST e NH4+ de 97.5%, 74.3%, 98.2% e 88.1%, respectivamente. O sistema sequencial permitiu o aumento significativo das eficiências de tratamento quando comparado com o sistema unitário, tendo-se obtido eficiências de tratamento de 98.5% for CBO5, 74.3% for tCOD, 96.6% for TSS, and 99.1% for and NH4+.
Posteriormente, de modo a avaliar o meio de enchimento mais adequado, duas alternativas foram testadas, especificamente vermicomposto e serradura. As eficiências de tratamento foram de 91.3% para CBO5, 87.6% para CQO, 98.4% para SST, e 76.5% para NH4+ em VE, e 90.5% para CBO5, 79.7% para CQO, 98.4% para SST, e 63.4% para NH4+ em SE. As minhocas contribuíram para reduzir as remoções de NH4+ e Azoto Total, e para aumentar a concentração de NO3- no efluente tratado. Comparativamente à água residual bruta, o vermicomposto contribuiu para aumentar a concentração de Fósforo Total. Em todos os tratamentos, as eficiências foram ainda insuficientes para cumprir a regulamentação da EU para descargas de água residual em meios aquáticos sensíveis (Azoto e Fósforo Totais) e as orientações da USEPA e OMS para irrigação (coliformes fecais). Ainda assim, todos os tratamentos removeram ovos de helmintes.
Desenvolveu-se uma análise de ciclo de vida por forma a comparar os sistemas de vermifiltração com outras tecnologias alternativas. Este procedimento incluiu um sistema de filtração lenta, um leito de macrófitas e um sistema de lamas activadas. O inventário de ciclo de vida permitiu identificar que os recursos materiais foram mais usados durante a fase de construção comparativamente a qualquer outra fase. Dadas as pequenas populações servidas, a quantidade de materiais usados por habitante foi mais elevada relativamente às quantidades encontradas para outras infraestruturas de maior dimensão. A electricidade foi o recurso mais utilizado durante a fase de operação, tendo sido um resultado expectável. Quando comparada com os leitos de macrófitas, a vermifiltração permitiu obter importantes benefícios ambientais na maioria das categorias de impacte, em particular durante a fase de construção. Comparativamente à filtração lenta, a vermifiltração originou a melhoria das categorias de impacte acidificação e eutrofização, ao mesmo tempo que originou a deterioração das restantes. A vermifiltração pode apresentar-se como uma melhor solução sob o ponto de vista ambiental que os sistemas de leitos de macrófitas e lamas activadas, fruto dos melhores resultados obtidos na maioria das categorias de impacte. Em todas as soluções de tratamento os impactes durante a fase de construção ultrapassaram os impactes das restantes fases, devido ao pequeno número de habitantes servidos, não atingindo economias de escala. Durante a elaboração desta tese, diversas questões ficaram por responder, nomeadamente: i) o impacte das variáveis climáticas na dinâmica do tratamento e das eficiências, e que afectam o rendimento e a resiliência do processo segundo diferentes inputs de carga orgânica e temperaturas; qual o tipo de meio de enchimento mais adequado para o processo, em particular o que melhor contribui para a economia circular; e iii) a aplicabilidade, tanto do ponto de vista técnico como legal, do vermicomposto no solo, como fertilizante, aquando e futuras análises de ciclo de vida, deve ser incluída nas fronteiras do sistema.
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Keywords
Vermifiltração Água residual Tratamento de efluentes Sustentabilidade ambiental Ciclo de vida