Com base no antigo ditado “É melhor prevenir do que remediar”, vamos nos concentrar no assunto “Tratamento de Efluentes”, lembrando que quanto menos sobrecarregarmos os sistemas de depuração natural, lançando nos rios efluentes com baixa carga orgânica, teremos água de melhor qualidade nos pontos de captação e portanto exigindo tratamentos para potabilização mais simples e baratos.
Sem contar a minimização dos impactos negativos nos ecossistemas aquáticos causados pelo lançamento de efluente bruto. (não tratado)
O tratamento dos efluentes líquidos compreende as seguintes etapas: pré-tratamento, tratamento primário, tratamento secundário e tratamento terciário.
O pré-tratamento tem como objetivo a proteção dos equipamentos de uma planta de tratamento, com pouco efeito na redução da carga orgânica (remoção de 5-20% DBO [9]). Implica apenas na redução de sólidos em suspensão e no condicionamento dos efluentes para posterior tratamento.
Pode incluir as seguintes etapas: gradeamento, peneiramento, trituração, desarenação e equalização. Esta última consiste de um tanque provido de agitação para permitir a homogeneização e evitar a deposição de sólidos.
A equalização é uma técnica que pode ser usada para melhorar a eficiência dos tratamentos tanto secundários como terciários. Devido a possíveis variações dos parâmetros de qualidade do efluente: pH, vazão, carga orgânica etc, é recomendável o uso de um tanque de equalização para se evitar choques na unidade de tratamento.
Promove a remoção de sólidos dissolvidos, sólidos em suspensão e óleos e graxas dos efluentes. Podem ser removidos 50-60% de sólidos em suspensão e aproximadamente 35% de DBO, dependendo do processo adotado. Os processos mais usados são sedimentação e flotação (com coagulação e floculação).(Mais informações: Coagulação e Floculação)
A coagulação comumente é feita com o uso de hidróxidos insolúveis de Fe e Al, os quais são removidos em sedimentadores, arrastando consigo partículas coloidais e íons adsorvidos.
Alguns estudos mostram a possibilidade de se usar agentes coagulantes com poder oxidante como o íon ferrato o qual poderia favorecer a oxidação de espécies químicas, simultaneamente ao processo de coagulação.(Jiang e Lloyd, 2002)
A etapa de floculação comumente é feita com o uso de polímeros que interagem com as partículas em suspensão formando flocos que se sedimentam.
É importante lembrar que todo o material sedimentado, na forma de uma lama, é um resíduo que necessita de um tratamento adequado.
Uma das alternativas para esses resíduos contendo alumínio, gerado nas estações de tratamento de água, é o co-processamento na fabricação de argilas refratárias, ricas em alumínio.
Os Separadores de Água-Óleo (SAO), consistem numa caixa retangular por onde passam os efluentes a uma baixa velocidade, com escoamento laminar. Com isso as gotículas de óleo sobem à superfície e são reprocessados e os sólidos decantam no fundo. Em geral são projetados para remover gotas de óleo com diâmetro superior a 150 micrômetros.
Na flotação é feita a separação da fase sólida e/ou líquida emulsionada em fase líquida pela ação de pequenas bolhas de gás que, ao aderirem às partículas, provocam a diminuição de sua densidade aparente, arrastando-as para a superfície.
O termo tratamento secundário engloba todos os processos biológicos de tratamento de efluentes tanto aqueles de natureza aeróbia quanto os de natureza anaeróbia e visam, essencialmente, converter a matéria orgânica dos efluentes em materiais inorgânicos (carbonato, sulfato etc) e material biológico sedimentável, que podem ser removidos em tanques de sedimentação.
A associação dos processos biológicos com processos químicos e físico-químicos é um caminho promissor para o desenvolvimento de novas soluções de engenharia para o desenvolvimento de sistemas de tratamento mais eficientes.
Os processos biológicos aeróbios mais utilizados são: lodo ativado, filtro biológico (biomassa fixa), Biorreatores a Membrana (MBR), lagoa aerada e lagoas de estabilização.
É um processo biológico de tratamento de águas residuais que utiliza principalmente microrganismos aeróbios (bactérias e outros), na presença de oxigênio, para oxidar a carga orgânica.
As bactérias usam as substâncias orgânicas do meio para realizarem duas atividades metabólicas básicas: produção de energia (bioenergética) e síntese de material celular (biossíntese) liberando no meio CO2, H2O, NH3, SO4, e outros metabólitos.
O termo lodo ativado (Activated Sludge) provém da aglomeração dos microorganismos com a matéria orgânica em suspensão no tanque de aeração, formando flocos biológicos que chegam ao decantador após uma fase onde as bactérias consumiram grande parte de suas reservas energéticas e nessas condições estão “ávidas” por nutrientes.
Parte do lodo sedimentado retorna para o tanque de aeração mantendo uma alta concentração de biomassa.
Como novos microrganismos estão sendo continuamente produzidos, o excesso tem que ser removido do sistema, por isso uma parte do lodo sedimentado é retirado do processo e destinado a um sistema de tratamento de lodos:
É um sistema de tratamento biológico relativamente versátil, pois pode ser adaptado para lidar com uma larga variedade de efluentes.
Porém o funcionamento do sistema é muito dependente da capacidade de decantação do lodo.
Para esgotos domésticos a literatura permite indicar faixas operacionais do processo que asseguram boa capacidade de sedimentação do lodo, viabilizando, desse modo, o próprio processo.
Para efluentes industriais, devido à sua especificidade, um trabalho experimental deve ser realizado para assegurar um projeto viável.
No entanto a disposição final do lodo das Estações de Tratamento de Esgoto (ETE) dos grandes centros urbanos (Ex: São Paulo) não é uma questão simples de ser resolvida. Ainda nas ETEs, o lodo na forma líquida, com ~2% de sólidos, é submetido a processo de desidratação mecânica com filtros prensa, sendo transformado na forma de torta contendo ~40% de sólidos e com uma consistência de pasta relativamente seca.
Em 2003 o tratamento de esgoto na Região Metropolitana de São Paulo gerava cerca de 120 mil t/ano de lodo, com uma previsão de 750 mil t/ano em 2015, considerando um teor de sólidos de 40%.(Santos, 2003)
As três principais alternativas de disposição final da torta de lodo são:
aterros sanitários
uso agrícola como fertilizante
incineração
Dependendo das suas características quanto a:
presença de organismos patogênicos
presença de matéria orgânica não degradada durante o tratamento
presença de metais tóxicos
A presença de metais tóxicos no lodo, acima de determinados limites, inviabiliza o seu uso agrícola e costuma ser um problema em estações de tratamento, principalmente devido a lançamentos industriais na rede coletora de esgoto sanitário.(Bettiol &Camargo-2006)
Portanto o destino final da biomassa gerada pelos processos aeróbios de tratamento de esgotos, é um tema de interesse para transformar esse "resíduo problema" em “matéria prima”(Wong, 2000)
Uma alternativa aos processos aeróbios, são os processos anaeróbios que consistem na degradação da matéria orgânica pela ação de bactérias anaeróbias, gerando metano e compostos inorgânicos como CO2, H2, H2S, e outros metabólitos.
Os processos anaeróbios evoluíram nos últimos 100 anos a partir da Fossa Mouras (França - 1881) até os reatores biológicos atuais como os Filtros Anaeróbios, Reator de Leito Expandido ou Fluidificado, Biodisco Rotatório e Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente (RAFA), dentre outros.
A digestão anaeróbia é composta por várias reações sequenciais, cada uma com sua população bacteriana específica que pode ser dividida nas seguintes etapas:
Vantagens da digestão anaeróbia:
baixo custo de implantação e operação
produção de biogás, com elevado teor calorífico
exige pouco espaço
tolerância a elevadas cargas orgânicas
baixa produção de lodo, 5-10 vezes menos que o sistema aeróbio
biomassa se mantém ativa por vários meses sem alimentação de carga
Desvantagens da digestão anaeróbia
partida do processo mais lenta
bioquímica mais complexa exigindo maior controle operacional
remoção insatisfatória de nitrogênio, fósforo e patogênicos, exigindo algum tipo de pós-tratamento
Tanto o processo aeróbio quanto o anaeróbio têm sido usados com uma grande variedade de efluentes industriais, no entanto quando se compara as duas alternativas percebe-se que o processo anaeróbio apresenta mais vantagens, especialmente para efluentes com alta carga orgânica. Primeiro, pelo menor consumo de energia para a operação do sistema anaeróbio em relação à energia consumida para a aeração de um sistema aeróbio.
Segundo, pela produção do biogás contendo metano, um gás combustível, ao contrário do processo aeróbio que não produz nenhum gás que possa ser aproveitado.
E finalmente, a pequena produção de lodo devido a baixa taxa de crescimento dos microrganismos anaeróbios, conforme ilustrado no esquema abaixo:
Um exemplo de reator anaeróbio é o reator RAFA - Reator anaeróbio de fluxo ascendente (UASB -Upflow Anaerobic Sludge Blanket). A Universidade de São Paulo, por exemplo, implantou um reator RAFA para o tratamento do esgoto gerado pelo Conjunto Residencial da USP (CRUSP).
O fluxo ascendente através do leito de lodo faz com que o lodo se desenvolva na forma de grânulos, por isso a partida é lenta até que a granulação ocorra.
Em relação aos outros modelos de reator: Filtro Anaeróbio, Reator de Leito Expandido ou Fluidificado e Biodisco Rotatório, o sistema RAFA é altamente dependente do processo de granulação com um determinado efluente. Os grânulos são aglomerados microbianos com uma complexa relação de interdependência.
Muitos modelos já foram propostos para tentar explicar o mecanismo de granulação em reatores RAFA, dentre eles a participação de íons polivalentes reduzindo a repulsão eletrostática entre as células bacterianas (carregadas positivamente) ou a floculação induzida por polímeros, no entanto ainda não se conseguiu um consenso a respeito.(Yu Liu, 2003)
O tratamento terciário, ou tratamento avançado, consiste numa série de processos destinados a melhorar a qualidade de efluentes provenientes dos tratamentos primário e/ou secundário.
Geralmente o tratamento terciário pode ser empregado na redução de:
sólidos em suspensão
carga orgânica residual
micropoluentes
cor
sais minerais
nutrientes (nitrogênio e fósforo)
metais tóxicos
Esses processos "ainda" não estão sendo aplicados amplamente em nível industrial no tratamento de efluentes, mas a tendência é de aumento do seu uso, devido a exigências crescentes de qualidade dos efluentes e pela possibilidade de reciclo e/ou reuso da água.
As lagoas de maturação são utilizadas para o tratamento terciário de efluentes de processos aeróbios visando a redução de sólidos biológicos em suspensão devido à respiração endógena e conversão de amônia a nitrato (nitrificação) usando oxigênio fornecido pela reaeração natural ou pela fotossíntese das algas.
Preparado a partir de materiais como ossos, madeira, fibra de coco, carvão mineral, é aplicado para a remoção de micropoluentes orgânicos e metais pesados (bons resultados na remoção de prata e mercúrio). Depois de saturado o carvão pode ser reativado através de aquecimento (900°C), liberando os sítios ativos.
Algumas informações sobre Carvão Ativo
Usadas preferencialmente para a remoção de metais polivalentes: Ca, Mg, Pb, Cd etc.
A remoção dos nutrientes (P e N) é uma preocupação crescente, face os problemas de eutrofização dos corpos hídricos causados por efluentes parcialmente tratados.
O fósforo pode se apresentar na forma de fosfatos inorgânicos ou orgânicos enquanto o nitrogênio na forma inorgânica como amônia, nitrato, nitrito ou ligado a compostos orgânicos.
No início do desenvolvimento da tecnologia de remoção de P, usaram-se principalmente métodos físico-químicos, notadamente a precipitação com metais, formando fosfatos poucos solúveis como fosfato de cálcio Ca3(PO4)2, apatita Ca5(OH)(PO4)3 ou estruvita (NH4MgPO4). Entretanto, abandonou-se esta estratégia rapidamente por duas razões. Em primeiro lugar, para se obter confiavelmente uma concentração baixa de P é necessário que se adicione uma concentração elevada de sais (geralmente bem maior que aquela que seria necessária se o equilíbrio termodinâmico fosse atingido rapidamente) - de modo que o custo de produtos químicos é alto e a massa de lodo químico é considerável. Em segundo lugar, a adição de sais gera outro problema: a acumulação de íons na água (o que pode restringir seriamente a aplicabilidade da água para vários usos).(F. S. B. Mota e M. Sperling, 2009)
Por estas razões, a pesquisa de remoção de fósforo se dirigiu para métodos biológicos. O aspecto fundamental da remoção biológica de fósforo é a chamada “absorção em excesso de P pelo lodo” (em inglês, luxury uptake). Sob condições operacionais específicas, é possível desenvolver um lodo com um teor de fósforo muito mais elevado que os 2,5 por cento normalmente encontrados em lodos de sistemas convencionais.(F. S. B. Mota e M. Sperling, 2009)
Os métodos para a remoção biológica de nitrogênio incluem as seguintes:
Nitritação - transformação do amônio (NH4+) para nitrito (NO2-), mediada, por exemplo, por bactérias do gênero Nitrosomonas na presença de oxigênio dissolvido
Nitratação - transformação do nitrito (NO2-) para nitrato (NO3-), realizada por bactérias do gênero Nitrobacter na presença de oxigênio dissolvido
Desnitrificação - redução biológica de nitrato (NO3-) para nitrogênio molecular (N2), tendo-se material orgânico como redutor
No entanto já se tem conhecimento da existência de uma rota anaeróbia de oxidação da amônia chamada “Anammox”(Jetten MS, 1998)
Uma alternativa mais sofisticada para a remoção biológica de nitrogênio e/ou fósforo consiste na alternância entre condições aeróbia e anaeróbia para nitrogênio ou anaeróbia, anóxica e aeróbia para fósforo (Phoredox), com configurações de até 5 estágios.(Gary W. vanLoon, 2000)
Atenção
O(A) leitor(a) poderá verificar no Glossário que os termos anaeróbio e anóxico são defindidos de maneira distinta conforme alguns autores. Mas esclareço que no diagrama abaixo o reator anaeróbio apresenta condições de ausência de oxigênio (pelo menos abaixo do LD do método!) mas com presença de nitratos como aceptores de elétrons enquanto que o reator anóxico apresenta ausência de oxigênio e ausência de nitratos, conforme esclarecimentos do autor.(Gary W. vanLoon, 2000)
O tratamento químico de efluentes líquidos pelos POAs pode efetuar a completa mineralização dos poluentes a CO2, compostos halogenados a haletos e a conversão de compostos orgânicos não-biodegradáveis em intermediários biodegradáveis.
As reações que podem ocorrer após a absorção de um fóton de luz gerando espécies eletrônicamente excitadas (Eq. 1) dependem dos diferentes processos através dos quais a espécie excitada libera seu excesso de energia.
Este decaimento pode ocorrer através de diferentes processos tais como: dissociação (Eq. 2), quimioluminescência (Eq. 3), fotoionização (Eq. 4), fotossensibilização (Eq. 5) etc.
Nas reações de foto-oxidação a partir da excitação eletrônica do substrato orgânico, os radicais formados reagem com o oxigênio dando origem a radicais peróxidos (Eq. 6), os quais iniciam reações em cadeia podendo levar a CO2, água e sais inorgânicos.
Na oxidação de poluentes orgânicos pela combinação da luz ultravioleta e oxidantes (H2O2, O3 etc) ocorre a geração e subsequente reação dos radicais hidroxila (HO .).
O radical hidroxila é um agente oxidante forte capaz de oxidar compostos orgânicos principalmente por abstração de hidrogênio (Eq. 7).
Os radicais formados podem reagir com o oxigênio dando origem a radicais peróxidos (Eq. 6), os quais iniciam reações em cadeia levando a CO2, água e sais inorgânicos.
Dentre os POAs atualmente sob desenvolvimento, têm-se os procedimentos com H2O2/UV, O3/UV e H2O2/O3/UV que empregam a fotólise do H2O2 e/ou O3 para gerar radicais HO ..
Na oxidação fotocatalítica (TiO2/UV), o semicondutor absorve luz ultravioleta para gerar radicais HO. a partir, principalmente, da água adsorvida e dos íons hidróxido.
Portanto a combinação de um POA, como um ou pré-tratamento (ou pós-tratamento) seguido de um processo biológico é, do ponto de vista econômico e ambiental, bastante promissor.
Uma membrana semipermeável é uma barreira seletiva que restringe, total ou parcialmente, o transporte de uma ou várias espécies químicas entre dois compartimentos.
Os processos de separação por membranas são geralmente diferenciados pela força motriz utilizada no transporte dos componentes através da membrana. A forças motrizes podem ser separadas em dois grupos: potencial químico (por diferença de pressão, concentração ou temperatura) e potencial elétrico.
A figura abaixo apresenta as características dos principais processos de separação por membranas: Microfiltração (MF), Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Inversa (OI).
Figura 54. Principais processos de separação por membranas: Microfiltração (MF), Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Inversa (OI).
Apenas para se ter uma noção das pressões relativas entre os diferentes processos de separação, enquanto sistemas de Ultrafiltração podem operar com pressões da ordem de 10 bar, os sistemas de Osmose Inversa necessitam de pressões maiores, da ordem de ~80 bar.
Por isso a Bioquímica como interface entre a Química Orgânica e a Microbiologia na compreensão dos processos envolvidos no tratamento de resíduos orgânicos.
Assim como a Engenharia Química e a Engenharia Civil utilizando esses conhecimentos no desenvolvimento e otimização de sistemas de tratamento:
Figura 56. Integração da Microbiologia, Bioquímica, Engeharia Química e Engenharia Civil no tema “Água”.
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