Removal of organic matter and nutrients in septic tank follow by vertical down-flow constructed wetland with recirculation

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The aim of this study was to evaluate the performance of a domestic wastewater treatment system in full scale with septic tank (ST) followed by vertical down-flow constructed wetland (VDCW), planted with Canna x generalis, operating with recirculation, in removal of carbonaceous organic matter, solids, nitrogen and phosphor in the treatment of the inlet wastewater. The ST (V = 4,7 m3) was used in the primary treatment, and the VDCW (24.5 m2 surface area) was used in the secondary treatment of domestic wastewater. Over a period of 360 days (01/05/18 – 25/04/19), operating with 1200 L d-1 raw domestic wastewater inlet, recirculation rate of 90% and average loads of 882 gBOD d-1, 1417 gCOD d-1, 1246 gSS d-1, 1890 gST d-1, 83 gNH4+-N d-1, 150 gTN d-1 and 13 g PO43--P d-1, the system (ST/VDCW) showed high average organic matter removals (85% BOD, 86% COD), suspended solids (93%), ammonia nitrogen (80% NH4+-N); good removal of total solids (65%) and total nitrogen (67% TN). However, the system proved inefficient in removing inorganic phosphorus (PO43--P). TS stood out for its high 88% NO3--N removal for 21 g NO3--N d-1 average inlet load, providing conditions for the denitrification process. The VDCW, with a average HLR of 90 mm d-1 and average loads of 32 gBOD m-2 d-1, 66 gCOD m-2 d-1, 60 gSS m-2 d-1, 97 gTS m-2 d-1, 4 gNH4+-N m-2 d-1 and 7 gTN m-2 d-1, showed average removal efficiencies of 67%, 76%, 88%, 45%, 70% and 45% for BOD, COD, SS, TS, NH4+-N and TN respectively. Canna x generalis showed good adaptation and rapid growth, contributing with 10% of the removal of TN from VDCW after cutting its biomass. From hydrodynamic tests with rhodamine tracer WT, variations in VDCW hydraulic behavior were observed, and an average percolation time of 18 min was determined. Vegetation growth showed a variable correlation, from weak to strong, with wetland percolation time over time, indicating possible influence of water interception by the aerial part of the plant and pore obstruction and formation of preferential paths in the filter bed, due to the spreading and growth of roots and rhizomes. The removal of NO3--N in ST was associated with the high abundance of heterotrophic denitrifying bacteria found in the accumulated sludge, which showed seasonal variation in diversity and relative abundance, with the predominant genus being Acidovorax, Rhodopseudomonas, Paracoccus and Pseudomonas. In VDCW, high NH4+-N removal was associated with the presence of autotrophic AOB (Nitrosomonas, Nitrosospira) and NOB (Nitrobacter, Nitrospira) found throughout the depth of the filter bed and also adhered to the roots of the vegetation, with seasonal variation of diversity and abundance. In the filter bed, an abundance of anaerobic bacteria of the genus Clostridium and denitrifying bacteria of the genus Flavobacterium, Pseudomonas, Acinetobacter has been found; indicating significant formation of anaerobic microenvironments, and associated with good TN removal, indicates the possible occurrence of simultaneous nitrification and denitrification processes in VDCW. Este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho de um sistema de tratamento de esgoto doméstico em escala real composto por tanque séptico (TS) seguido de wetland construído de fluxo vertical descendente (WCVD), plantado com Canna x generalis, operando com recirculação, na remoção de matéria orgânica carbonácea, sólidos, nitrogênio e fósforo presentes no esgoto afluente submetido ao tratamento. O tanque séptico (Vútil = 4,7 m3) foi empregado no tratamento primário, e o WCVD (24,5 m2 de área superficial) foi utilizado no tratamento secundário dos esgotos. Durante um período de 360 dias (01/05/18 – 25/04/19), operando com uma entrada de esgoto bruto de 1200 L d-1, uma taxa de recirculação de 90%, e cargas médias de 882 gDBO5,20 d-1, 1417 gDQOt d-1, 1246 gSS d-1, 1890 gST d-1, 83 gN-NH4+ d-1, 150 gNT d-1 e 13 gP-PO43- d-1, o sistema (TS/WCVD) apresentou elevadas remoções médias de matéria orgânica (85% de DBO5,20, 86% de DQOt), de sólidos em suspensão (93%), de nitrogênio amoniacal (80% de N-NH4+); e boa remoção de sólidos totais (65%) e de nitrogênio total (67% de NT). Contudo, o sistema mostrou-se ineficiente quanto a remoção de fósforo inorgânico (P-PO43-). O TS destacou-se pela elevada remoção de 88% de N-NO3- para uma carga média afluente de 21 g N-NO3- d-1, evidenciando condições para o processo da desnitrificação. O WCVD, com uma TAH média de 90 mm d-1 e cargas médias de 32 gDBO5,20 m-2 d-1, 66 gDQOt m-2 d-1, 60 gSS m-2 d-1, 97 gST m-2 d-1, 4 gN-NH4+ m-2 d-1 e 7 gNT m-2 d-1, apresentou eficiências de remoção médias de 67%, 76%, 88%, 45%, 70% e 45% para DBO5,20, DQOt, SS, ST, N-NH4+ e NT, respectivamente. A Canna x generalis apresentou boa adaptação e rápido crescimento, e contribuiu com 10% da remoção de NT do WCVD, após o corte da sua biomassa. A partir de ensaios hidrodinâmicos com traçador rodamina WT foram observadas variações no comportamento hidráulico do WCVD ao longo do tempo, e determinou-se um tempo de percolação médio de 18 min após a aplicação de um pulso de 125 L min-1. O crescimento da vegetação mostrou uma correlação variável, de fraca a forte, com o tempo de percolação do wetland ao longo do tempo, indicando possível influência da interceptação da água pela parte aérea da planta, e obstrução dos poros e formação de caminhos preferenciais no leito filtrante devido ao espalhamento e crescimento das raízes e rizomas. A remoção de N-NO3- no TS foi associada à elevada abundância de bactérias desnitrificantes heterotróficas encontradas no lodo acumulado, as quais apresentaram variação sazonal em diversidade e abundância relativa, sendo predominantes as do gênero Acidovorax, Rhodopseudomonas, Paracoccus e Pseudomonas. No WCVD, a elevada remoção de N-NH4+, foi associado à presença de BOA (Nitrosomonas, Nitrosospira) e BON (Nitrobacter, Nitrospira) autotróficas encontradas ao longo de toda a profundidade do leito filtrante e, também, aderidas às raízes da vegetação, com variação de diversidade e abundância sazonal. No leito filtrante, foi encontrada elevada abundância de bactérias anaeróbias do gênero Clostridium, e de bactérias desnitrificantes do gênero Flavobacterium, Pseudomonas, Acinetobacter; indicando formação significativa de microambientes anaeróbios, e que associado à boa remoção de NT, indica a possível ocorrência de processos de nitrificação e desnitrificação simultâneos no WCVD.