Desenvolvimento e avaliação de um wetland construído flutuante como solução inspirada na natureza para revitalizar rios urbanos

Abstract

A revitalização de rios é uma abordagem alternativa para enfrentar os crescentes desafios de gestão da água e o atual estado de degradação dos rios urbanos. Compreender os processos da bacia hidrográfica, que mantém o funcionamento do ecossistema fluvial, torna-se necessário para que ações de revitalização sejam implementadas com sucesso, bem como é essencial avaliar métodos que podem ser empregados para reestabelecer a integridade dos rios. As soluções inovadoras e inspiradas na natureza (Nature-based solutions -NBS) apresentam princípios amplos e representam um conceito chave que engloba vários conceitos de gestão da água no meio urbano, como as técnicas compensatórias. Este trabalho visa avaliar o potencial de aplicação de sistemas de wetlands construídos flutuantes, como parte das NBS, para revitalizar rios urbanos. A avaliação foi efetuada, primeiro, de forma teórica, através da revisão e discussão de como as NBS vêm sendo implementadas no contexto dos projetos de revitalização, considerando por um lado a necessidade de esforços baseados na recuperação dos processos da bacia hidrográfica e por outro lado, as limitações que existem para a aplicação de ações de restauração de rios em área urbana. Segundo, através do desenvolvimento de um sistema flutuante de wetlands construídos (Constructed Floating Wetlands – CFW), uma técnica de tratamento de água relativamente recente que consiste em macrófitas emergentes plantadas em estruturas flutuantes. Esse tipo de sistema vem sendo testado para o tratamento de águas residuárias e de escoamento superficial urbano. Contudo, poucos estudos fornecem resultados detalhados da adaptação das espécies e há poucos dados sobre o desempenho dos sistemas durante curtos períodos de tempo de retenção hidráulica. A análise dos estudos de caso de revitalização mostra a dificuldade que existe na tentativa de reestabelecimento da integridade dos rios urbanos. Mesmo quando são aplicadas técnicas distribuídas na bacia hidrográfica, há reestabelecimento de processos físicos, relacionados ao ciclo hidrológico e melhora da qualidade da água, mas os resultados ecológicos ainda são questionáveis. Nesse sentido, os experimentos realizados na tese mostram que as técnicas compensatórias, especificamente o sistema de CFW, como instrumentos de aplicação da abordagem promovida pelas NBS, tem alto potencial para a melhoria da qualidade da água dos rios, através do tratamento do escoamento superficial urbano. Houve diferença na eficiência de remoção entre as espécies, sendo que T. domingensis obteve melhor desempenho, com remoção de nutrientes para os tempos de retenção de 24h e 4h, enquanto que não houve remoção significativa para o S. californicus nos tempos de retenção inferiores a sete dias. O sistema alcançou eficiências de remoção da ordem de 78% de nitrogênio total (NT) e de 47% de fósforo total (PT), para a espécie que melhor se adaptou (T. domingensis), para o período de 7 dias. A comparação com os padrões estabelecidos pela Resolução 357/2005 do CONAMA para rios de Classe 1 e 2, considerando 24h como de tempo de retenção e a eficiência correspondente a esse período de tempo, mostra que o efluente de entrada poderia ter a concentração máxima de 20 mg/L de NT, para que o sistema tenha capacidade de fornecer um tratamento adequado à legislação ambiental. Assim, a aplicação potencial dos CFW se mostrou viável, contudo, são necessárias adaptações na estrutura flutuante para melhorar o desempenho do sistema como um todo e permitir a sua validação em escala real.

River revitalization is an alternative approach to face the challenges of water management and the current condition of degradation of the urban rivers. To understand the catchment process that sustain the fluvial ecosystem functioning is necessary to implement successful restoration measures and, in addition, it is important to assess the methods which can be applied to reestablish the river integrity. The innovative and nature-based solutions (NBS) present broad values and represent a key concept that comprises a range of previous concepts of urban water management, such as compensatory techniques. This work aims to assess the potential of application of constructed floating wetlands systems, as a part of NBS, to urban river revitalization. The assessment were conducted first theoretically, through the review and discussion of how NBS have been implemented in the context of revitalization projects. This discussion has taken into account, on the one hand, the efforts to recover catchment process; on the other hand, the limitations that exist to apply river restoration measures in urban rivers. Second, through the development of a constructed floating wetland (CFW), which is a water treatment technique relatively recent that consists of emergent macrophytes planted in floating structures. This kind of system has been tested to effluent and stormwater runoff treatment. However, few studies provide detailed results of species adaptation and there are limited knowledge about the performance of these systems during short periods of hydraulic retention time. The analysis of river revitalization case studies presents the difficulty inherent to the attempt of integrity reestablishment of urban rivers. A recovery of physical processes, related to hydrological cycle and water quality improvement, occurs even when distributed techniques are applied inside catchment. But ecological results are still questionable. In this regard, the experiments showed that compensatory techniques, specially the CFW system as an instrument to NBS approach application, had a great potential to river water quality improvement, through the treatment of the urban surface runoff. Removal efficiency was different between the species, with best performance of T. domingensis which removed nutrients on retention times of 24 and 4 hours, while there was no significant nutrient removal to S. californicus on retention times less than seven days. The system reach efficiency removal rates of 78% of total nitrogen (TN) and 47% of total phosphorus (TP), to specie that had the best adaptation (T. domingensis) and to the period of seven days. The comparison with standards stablished by Resolução 357/2005 CONAMA to 1 and 2 rivers class, considering 24 hours of retention time and the correspondent efficiency, shows that the input effluent should have the maximum concentration of 20 mg/L of TN to the system provide treatment according to environmental regulation. Thus, the potential application of CFW is feasible, however, adaptations on floating structure are required to improve the performance of the system as a whole and to allow its validation in field.