Soluções Avançadas de Tratamento de Águas Residuais e Água: Tecnologias Sustentáveis para Água Limpa

Tecnologias de Tratamento de Águas Residuais e Água

Barata e abundante, a água foi durante séculos um insumo de produção que a indústria siderúrgica considerava garantido. No cenário atual, porém, os recursos hídricos estão se tornando cada vez mais escassos devido ao desequilíbrio crescente entre a disponibilidade de água doce e o consumo, tornando o acesso a água limpa e segura um dos maiores desafios da sociedade moderna. A demanda por água continua aumentando devido a: (i) crescimento populacional e migração para regiões propensas à seca, (ii) desenvolvimento industrial rápido e aumento do uso de água per capita, e (iii) mudanças climáticas que alteram padrões climáticos em áreas povoadas. Isso resultou na entrada da indústria siderúrgica em uma nova era de restrição hídrica. Além disso, nas últimas três décadas, as preocupações com a poluição ambiental aumentaram mundialmente, resultando na promulgação de regulamentações ambientais mais restritivas.

A indústria siderúrgica utiliza enormes quantidades de água doce para diversos fins, incluindo refrigeração, supressão de poeira, limpeza, controle de temperatura (tratamento térmico), transporte de materiais residuais (cinzas, lodos, carepas etc.) e outros usos. A água é parte essencial de alguns processos da usina siderúrgica, como adição de água para controlar o teor de umidade da mistura de carvão de coque, pelotização da mistura de sinter, fabricação de pelotas verdes durante a produção de pelotas de minério de ferro, produção de vapor e, consequentemente, energia, e granulação de escória de alto-forno etc. O uso de grande quantidade de água também gera quantidade considerável de águas residuais que precisam ser descartadas. Os descartes de águas residuais da indústria siderúrgica são reconhecidos como um dos fatores de poluição aquática. As águas residuais geradas nos processos da usina contêm muitas substâncias e químicos dissolvidos e não dissolvidos.

Os principais usos de água de processo pelas usinas de ferro e aço incluem refrigeração e limpeza de gases de processo, refrigeração direta de coque e escória, refrigeração e limpeza direta do aço, enxágue de produtos, preparação de soluções de processo e refrigeração direta de equipamentos de processo etc. A maior parte da água usada pela usina de ferro e aço destina-se à refrigeração sem contato de equipamentos de processamento. A água também é usada para geração de vapor e energia.

Definições e Classificações de Águas Residuais

Água residual de processo é definida como qualquer água residual que entra em contato direto com o processo, produto, subprodutos ou matérias-primas para a produção de ferro e aço. Águas residuais de processo também incluem águas residuais de resfriamento de escória, limpeza de equipamentos, dispositivos de controle de poluição do ar, água de enxágue e água de refrigeração contaminada. Águas residuais sanitárias e pluviais não são consideradas águas residuais de processo. Água residual de refrigeração sem contato é a água de refrigeração que não contata diretamente o processo, produtos, subprodutos ou matérias-primas. Esta água residual não é considerada água residual de processo. Água residual não de processo é a gerada por operações não de processo, como águas residuais de utilidades (resíduos de tratamento de água, purga de caldeira, águas residuais de controle de poluição do ar de equipamentos de recuperação de calor, e água gerada por instalações de cogeração), águas residuais tratadas ou não tratadas de sistemas de remediação de água subterrânea, água de rebaixamento para fundações de edifícios, e outros fluxos de águas residuais não associados a processos de produção.

Um descarte de água residual significa o lançamento de água residual tratada ou não tratada em um corpo receptor. Um descarte pode ocorrer a partir de uma estação de tratamento ou de um transbordamento no sistema de coleta. O descarte de água residual não tratada pode criar várias condições indesejáveis. Estas incluem: (i) esgotamento de oxigênio e produção de odor no curso d'água, (ii) efeitos negativos na saúde humana devido à presença de microrganismos patogênicos, (iii) acúmulo de lodo e espuma, (iv) eutrofização de corpos d'água devido ao crescimento de plantas aquáticas e algas, já que a água residual pode conter certa quantidade de nutrientes, e (v) produção de grandes quantidades de gases malcheirosos devido à decomposição de compostos orgânicos presentes na água residual. Este descarte contribui para a poluição dos corpos d'água da área se não for devidamente tratado e tornado inofensivo antes do lançamento. Portanto, o tratamento de águas residuais é obrigatório antes de sair das dependências da usina e ser lançado em corpos d'água naturais.

Métodos de tratamento de águas residuais foram desenvolvidos pela primeira vez em resposta às condições adversas causadas pelo descarte de águas residuais no meio ambiente e à preocupação com a saúde pública. O tratamento de águas residuais na indústria siderúrgica é bastante complexo, pois a natureza das águas residuais tem características diferentes de várias unidades de processamento da usina.

Características da Água e Contaminantes

A água pura consiste em 2 partes de hidrogênio e 1 parte de oxigênio. Na natureza, a água contém muitas impurezas dissolvidas. De fato, a água é chamada de "solvente universal" devido à sua capacidade de dissolver muitas substâncias. Mesmo a água destilada e a água da chuva não são "completamente" puras, pois normalmente contêm níveis muito baixos de substâncias dissolvidas, como amônia, consideradas impurezas. Existem substâncias dissolvidas encontradas em águas superficiais e subterrâneas. À medida que a chuva cai, nitrogênio e outros gases são absorvidos. A água, ao viajar pelo solo, pode dissolver substâncias da terra como sódio, cálcio, ferro, fósforo, magnésio e sulfato.

Água bruta doméstica não tratada tem odor de mofo, pH entre 6,5 e 8 e é acinzentado-marrom. Os contaminantes tipicamente encontrados em água não tratada podem ser amplamente classificados em quatro classes básicas: (i) contaminantes orgânicos, (ii) contaminantes inorgânicos, (iii) patógenos, e (iv) outros contaminantes. Os contaminantes típicos presentes em águas residuais são descritos abaixo.

Sólidos

Sólidos totais na água residual podem ser na forma de sólidos dissolvidos ou suspensos. Sólidos suspensos podem ser na forma de sólidos coloidais (que não sedimentam) ou sólidos sedimentáveis. Sólidos suspensos (SS) levam ao desenvolvimento de depósitos de lodo e condições anaeróbicas quando água residual não tratada é descartada no ambiente aquático. Sólidos suspensos totais (SST) incluem todas as partículas que passam por um filtro. À medida que os níveis de SST aumentam, um corpo d'água começa a perder sua capacidade de suportar diversidade de vida aquática. Sólidos suspensos absorvem calor da luz solar, o que aumenta a temperatura da água e subsequentemente diminui o nível de oxigênio dissolvido. Alguns sólidos também podem ser sólidos flutuantes. Estes são tipicamente compostos por partículas de óleo ou graxa e formam a espuma. A espuma é mais facilmente removida por equipamentos de desempoeiramento superficial.

Orgânicos Biodegradáveis

Orgânicos biodegradáveis são compostos principalmente por proteínas, carboidratos e gorduras. São medidos principalmente em termos de DBO (demanda bioquímica de oxigênio) e DQO (demanda química de oxigênio). A DBO, uma medida importante da qualidade da água, mede a quantidade de oxigênio necessária por bactérias e outros organismos para oxidar a matéria orgânica presente em uma amostra de água durante 5 dias a 20 °C. A DQO mede todo carbono orgânico, com exceção de alguns aromáticos (benzeno, tolueno, fenol etc.) que não são completamente oxidados na reação. A DQO é uma reação de oxidação química. Altos valores de DBO e DQO contribuem para baixas concentrações de oxigênio em corpos d'água e, juntos, afetam adversamente a vida aquática. A estabilização biológica de orgânicos biodegradáveis pode levar ao esgotamento dos recursos naturais de oxigênio e ao desenvolvimento de condições sépticas, se descartados sem tratamento no meio ambiente.

Patógenos

Patógenos são microrganismos que causam ou podem causar doenças. Doenças transmissíveis podem ser transmitidas por organismos patogênicos em águas residuais.

Nutrientes

Tanto nitrogênio quanto fósforo, junto com carbono, são nutrientes essenciais para o crescimento. Quando descartados no ambiente aquático, estes nutrientes podem levar ao crescimento de vida aquática indesejável. Quando descartados em quantidades excessivas em solo, também podem levar à poluição de águas subterrâneas.

Poluentes Críticos

São compostos orgânicos e inorgânicos que têm características de causar carcinogenicidade, mutagenicidade ou alta toxicidade aguda, conhecidas ou suspeitas. A presença destes compostos em águas residuais deve ser minimizada por razões de saúde pública e para proteger os processos de tratamento biológico.

Orgânicos Refrativos

Estes orgânicos tendem a resistir aos métodos convencionais de tratamento de águas residuais. Exemplos típicos incluem surfactantes, fenóis e pesticidas agrícolas. Alguns podem ser tóxicos para processos de tratamento biológico.

Metais Pesados

Metais pesados podem estar presentes nas águas residuais geradas nas várias unidades da usina siderúrgica. Estes metais pesados devem ser removidos se a água residual for descartada em corpo d'água usado como fonte de água potável. A presença de metais pesados também pode impactar a reciclagem de biossólidos (lodo de resíduos estabilizado) em terras agrícolas.

Inorgânicos Dissolvidos

Constituintes inorgânicos como cálcio, sódio e sulfato podem estar presentes em águas residuais de algumas unidades da usina siderúrgica. Devem ser removidos se a água residual for descartada em corpo d'água usado como fonte de água potável.

Químicos Dissolvidos

Uma ampla gama de químicos dissolvidos pode estar presente na água residual dependendo do processo. Isso requer uma avaliação cuidadosa do tipo de contaminante, sua concentração, vazão e facilidade de biodegradabilidade. Concentração de apenas 1 miligrama por litro na água descartada pode gerar água colorida, afetando a qualidade estética e transparência dos corpos d'água. Também impacta a fotossíntese. Ácidos e álcalis criam situações de pH baixo ou alto. Alguns químicos podem ser difíceis de degradar por processos de tratamento convencionais.

Contaminantes orgânicos derivados de compostos químicos contêm carbono. Estes podem ser biodegradáveis, o que significa que podem ser consumidos por bactérias e outros microrganismos. No processo de consumo, estes orgânicos exercem uma demanda de oxigênio que pode ser medida como a DBO da água residual. Alguns contaminantes orgânicos (orgânicos refratários) são resistentes à biodegradação. Contaminantes inorgânicos não são biodegradáveis, mas podem ser nutrientes necessários para microrganismos viverem. São tipicamente compostos químicos (poluentes críticos) ou metais presentes na água residual como sólidos suspensos ou inorgânicos dissolvidos.

Patógenos são organismos causadores de doenças, incluindo bactérias e vírus, que podem ser depositados na água residual através de resíduos humanos ou animais, ou de resíduos hospitalares manuseados inadequadamente. Higiene adequada é extremamente importante ao trabalhar com águas residuais. Outras impurezas podem ser resíduos térmicos. Descargas de águas residuais com resíduos térmicos podem causar aumento súbito no fluxo e temperatura de entrada. Fonte típica de resíduo térmico é água de refrigeração sem contato (água aquecida onde a temperatura excede a do curso d'água). Dependendo do uso do curso, limites na temperatura da água residual podem ser estabelecidos para evitar aumento da temperatura do curso e impacto no uso. Resíduos radioativos podem vir de laboratórios e instrumentos usando fontes radioativas. É normalmente uma boa prática não permitir o descarte de resíduos radioativos em sistema de esgoto.

Objetivos e Princípios do Tratamento de Água

Os vários processos de tratamento de água têm principalmente três objetivos: (i) conferir e preservar as qualidades físicas, químicas e biológicas inerentes da água da fonte de captação que a tornam adequada para usos específicos, como água para consumo e uso em processos produtivos; (ii) permitir tratamento de águas residuais que proteja o público de riscos à saúde sem causar danos ao meio ambiente; e (iii) conferir e preservar aquelas características da água em seu ambiente natural necessárias para conservação e desenvolvimento da vida aquática e vegetação, e para provisão de água potável para gado e animais selvagens, ou para fins recreativos e estéticos.

O tratamento de água ou águas residuais baseia-se em várias operações unitárias individuais combinadas para formar um processo, frequentemente chamado de esquema de tratamento de processo. As operações unitárias baseiam-se em uma gama relativamente estreita de princípios governantes. Os mesmos mecanismos subjacentes aplicam-se ao processo, seja água do solo, lagos, reservatórios, rios ou mar a ser purificada para consumo, ou águas residuais (esgoto ou efluente industrial) a ser limpa para descarte seguro no meio ambiente.

Tecnologias convencionais de tratamento de águas residuais melhoram a qualidade da água residual descartada no meio ambiente e impedem que águas poluídas contaminem outros recursos de água limpa disponíveis. No entanto, estas tecnologias não tornam a água residual adequada para usos benéficos adicionais em comunidades próximas aos pontos de geração. Tecnologias inovadoras e avançadas que podem melhorar ainda mais a qualidade da água residual são necessárias para superar esta limitação das tecnologias convencionais e promover a adoção generalizada de práticas de reciclagem e reuso.

Processos Avançados de Tratamento

Processos avançados de tratamento podem ser processos biológicos, físico-químicos ou uma combinação de ambos (processos híbridos). Processos biológicos para remoção de poluentes nutrientes como nitrogênio e fósforo fornecem a plataforma para tratamento adicional de águas residuais até qualidade de reuso. Processos físico-químicos como filtração de leito profundo, filtração de mídia flutuante e filtração por membrana desempenham papel importante entre tecnologias de tratamento para reuso de água. A filtração por membrana tem vantagens significativas sobre outros processos, pois produzem efluente de alta qualidade que precisa de pouca ou nenhuma desinfecção com geração mínima de lodo. Processos híbridos tentam obter benefícios de ambos os processos biológicos e físico-químicos em uma única etapa.

Como a recuperação de águas residuais e a introdução de processos para purificar e tornar a água potável normalmente complementam o objetivo original de salvaguardar o meio ambiente, os vários processos são considerados como pertencentes ao mesmo campo. As tecnologias de tratamento de água podem ser categorizadas em quatro áreas gerais: (i) métodos físicos, (ii) métodos químicos, (iii) métodos biológicos e (iv) métodos intensivos em energia.

Métodos Físicos

Processos físicos removem sólidos da água residual à medida que ela flui através de telas ou mídia filtrante, ou sólidos são removidos por sedimentação por gravidade ou flotação por ar. Partículas aprisionadas com ar flutuam para a superfície e podem ser removidas. Métodos físicos de tratamento de águas residuais representam um conjunto de tecnologias que podem ser amplamente referidas como técnicas de separação sólido-líquido, das quais a filtração desempenha papel dominante. A tecnologia de filtração pode ser dividida em duas categorias gerais: convencional e não convencional. Esta tecnologia é componente integral de aplicações de tratamento de água potável e águas residuais. É, porém, apenas um processo unitário dentro de um esquema moderno de estação de tratamento de água, onde há uma multiplicidade de opções de equipamentos e tecnologias para selecionar dependendo dos objetivos finais de tratamento. Para entender o papel da filtração, é importante fazer distinções não apenas com as outras tecnologias empregadas na limpeza e purificação de águas residuais, mas também com os objetivos de diferentes processos unitários.

Métodos Químicos

Químicos são usados no tratamento de águas residuais para criar mudanças nos poluentes que aumentam a capacidade de removê-los. Mudanças podem incluir formação de flocos ou massa de partículas mais pesadas para melhorar a remoção por processos físicos. Métodos químicos de tratamento baseiam-se nas interações químicas dos contaminantes que precisam ser removidos da água. A aplicação de químicos auxilia na separação de contaminantes da água ou auxilia na destruição ou neutralização de efeitos nocivos associados aos contaminantes. Métodos de tratamento químico são aplicados tanto como tecnologias autônomas quanto como parte integral do processo de tratamento com métodos físicos. Normalmente, adição de químicos e processos físicos são empregados juntos para fornecer tratamento.

Métodos Biológicos

Processos de tratamento biológico são sistemas que usam microrganismos para degradar contaminantes orgânicos de águas residuais. No tratamento de águas residuais, processos naturais de biodegradação foram contidos e acelerados em sistemas para remover material orgânico e nutrientes. Os microrganismos metabolizam nutrientes, coloides e matéria orgânica dissolvida, resultando em água residual tratada. Crescimento microbiano excessivo é removido da água residual tratada por processos físicos. Processos biológicos são a forma preferida de tratamento, pois são custo-efetivos em termos de consumo de energia e uso de químicos.

Métodos Intensivos em Energia

Entre as tecnologias intensivas em energia, métodos térmicos têm papel duplo em aplicações de tratamento de água. Podem ser aplicados como meio de esterilização, fornecendo água potável de alta qualidade, e/ou estas tecnologias podem ser aplicadas ao processamento de resíduos sólidos ou lodo gerados de aplicações de tratamento de água. Nos últimos casos, métodos térmicos podem ser aplicados essencialmente da mesma forma que são aplicados ao condicionamento de água, ou seja, para esterilizar lodo contaminado com contaminantes orgânicos, e/ou estas tecnologias podem ser aplicadas à redução de volume. Redução de volume é etapa chave, pois há uma compensação final entre água poluída e resíduo sólido perigoso. Tecnologias intensivas em energia incluem técnicas eletroquímicas, que em grande parte são aplicadas a aplicações de água potável. Representam tanto esterilização quanto condicionamento de água para alcançar qualidade potável.

Todos estes quatro grupos de tecnologia podem ser combinados no tratamento de água, ou podem ser usados em combinações selecionadas dependendo dos objetivos do tratamento de água. Dentro de cada classe geral de tecnologia, existe uma gama de tanto hardware quanto tecnologias individuais que podem ser selecionadas. A seleção não apenas do processo unitário e hardware adequados dentro de cada grupo de tecnologia, mas as combinações ótimas de hardware e processos unitários destes quatro grupos depende de fatores como: (i) requisitos de limpeza do efluente final de água da usina, (ii) quantidades e qualidades da água de efluente a ser tratada, (iii) propriedades físicas e químicas dos poluentes a serem removidos ou neutralizados na água de efluente, (iv) propriedades físicas, químicas e termodinâmicas dos resíduos sólidos gerados do tratamento de água, e (v) custo do tratamento de água, incluindo custo de tratamento, processamento e descarte dos resíduos sólidos.

Tratamento de Águas Residuais da Indústria Siderúrgica

O tratamento de águas residuais da indústria siderúrgica precisa de uma variedade de estratégias para remover diferentes tipos de contaminantes. Estas estratégias consistem em: (i) remoção de sólidos, (ii) remoção de óleo e graxa, (iii) remoção de orgânicos biodegradáveis, (iv) processo de lodo ativado, (v) processo de filtro percolador, (vi) tratamento de materiais tóxicos, (vii) tratamento de ácidos e álcalis, e (viii) tratamento de outros orgânicos. As unidades de tratamento de águas residuais em uma usina siderúrgica também são conhecidas como estações de tratamento de efluentes (ETE).

Os objetivos da ETE são: (i) garantir descarte de água de boa qualidade ao meio ambiente natural, (ii) remover poluentes da forma mais eficiente e com menor custo, (iii) evitar e/ou minimizar outros impactos ambientais como criação de odor, emissão de gases, produção de ruído e descarte de sólidos, (iv) produzir água tratada para reuso e reciclagem, e (v) recuperar sais se economicamente viável. Ao planejar uma ETE, os requisitos a considerar são: (i) qualidade desejada do efluente de saída ou requisitos de licença para cumprir diretrizes nacionais, estaduais, locais e/ou organizacionais, (ii) volume de efluente necessitando tratamento, (iii) capacidade da oficina de produção, (iv) complexidade da tecnologia, facilidade de operação, adaptabilidade, confiabilidade, robustez e requisitos de energia, (v) custos de capital e operacionais, (vi) área de terra disponível, e (vii) massa de geração de lodo e requisitos de descarte.

O tratamento de águas residuais produzidas pelas várias oficinas da usina siderúrgica normalmente ocorre em uma estação de tratamento de efluentes construída propositalmente na área de produção. O tratamento realizado em tais ETEs confere às águas residuais características que permitem seu descarte seguro da usina para corpos d'água ou reciclagem de volta ao processo, total ou parcialmente.

Águas residuais dos vários processos da usina siderúrgica, dependendo de suas características, são submetidas a diferentes opções de tratamento. Diferentes combinações dos processos de tratamento físicos, químicos, biológicos e intensivos em energia são usadas para remoção de sólidos, matéria orgânica e, às vezes, nutrientes de águas residuais.

Níveis de Tratamento de Águas Residuais

Os processos de tratamento de águas residuais (Fig. 1) da usina siderúrgica se enquadram nos mesmos quatro grupos descritos anteriormente. O tratamento é realizado em quatro níveis: preliminar, primário, secundário e terciário. Estes níveis descrevem os diferentes graus de tratamento de águas residuais. Estes processos são descritos brevemente abaixo.

Fig. 1 Processos de tratamento de águas residuais

Tratamento Preliminar

O objetivo do tratamento preliminar é a remoção de materiais que podem causar bloqueios, entupimento de equipamentos a jusante e abrasão de equipamentos. O tratamento preliminar é normalmente realizado antes de a água residual ser enviada à ETE e para melhorar o desempenho da ETE. Neste tratamento, sólidos grosseiros e outros materiais grandes são removidos da água residual. A remoção destes materiais é essencial para aumentar a eficiência operacional e de manutenção das unidades de tratamento subsequentes. Neste tratamento de águas residuais, vários processos unitários são usados para eliminar características indesejáveis da água residual. Estes normalmente incluem: (i) controle de odor, e (ii) operações como pré-aeração, moagem de sólidos grosseiros e remoção de materiais grandes usando telas e grades etc. Muitas vezes a remoção de óleo e graxa, bem como correção de pH, também é realizada.

Tratamento Primário

É a primeira etapa no processo de tratamento de águas residuais ou a segunda etapa após o tratamento preliminar. O tratamento primário segue o tratamento preliminar e envolve tratamento físico e químico para corrigir o pH de condições alcalinas para pH próximo à neutralização, e sedimentação física de sólidos suspensos em decantadores primários para reduzir a carga de DBO e SS nos processos a jusante. Em geral, a adoção de unidades de decantação primária representa menos problemas na operação do processo biológico a jusante. Por exemplo, há menor quantidade de óleo e graxa e acúmulo de biomassa no reator biológico, minimizando possíveis sedimentações no tanque e reduzindo a tendência ao "bulking" não filamentoso da biomassa de lodo ativado etc. O tratamento primário na maioria dos casos usa processos de coagulação-floculação para melhorar a separação de sólidos.

Em geral, a adoção de unidades de decantação primária representa menos problemas na operação do processo biológico a jusante. Os objetivos do tratamento primário são a remoção de sólidos orgânicos e inorgânicos sedimentáveis por sedimentação e remoção de materiais flutuantes por desempoeiramento. Durante o tratamento primário, cerca de 35% a 55% da DBO total de entrada, cerca de 55% a 75% dos SST totais, e cerca de 70% do óleo e graxa são normalmente removidos. Algumas quantidades de fósforo orgânico e nitrogênio orgânico, bem como metais pesados associados a sólidos são removidos durante a sedimentação primária, mas constituintes coloidais e dissolvidos não são afetados.

Durante o tratamento primário, a separação física de sólidos suspensos da água residual usando decantadores primários é realizada. Os SST e os níveis associados de DBO são reduzidos neste processo de tratamento e o resíduo é preparado para a próxima etapa do tratamento de águas residuais. A remoção de sólidos orgânicos e inorgânicos sedimentáveis pela sedimentação e desempoeiramento de materiais é o objetivo principal desta etapa de tratamento.

O tratamento primário envolve vários processos físico-químicos e garante desempenho satisfatório dos processos de tratamento subsequentes. O principal processo usado no tratamento primário é a sedimentação, enquanto os processos auxiliares usados são peneiramento fino, floculação e flotação. A floculação é normalmente precedida por um tratamento químico geralmente com cal, alume ou químico proprietário. O principal objetivo deste tratamento é remover metais por precipitação e também remover algum DBO coloidal relacionado para gerar lodo químico. O tratamento primário aplica processos de coagulação-floculação para melhorar a separação de sólidos. Alguns destes processos são descritos abaixo.

Floculação

É um processo físico-químico que ajuda a estimular a agregação de matérias coloidais viscosas e delicadamente separadas em suspensão por mistura física e auxílio de coagulante químico. Este processo consiste de um tanque de mistura rápida e um tanque de floculação. O fluxo de água residual mistura-se com os coagulantes em um tanque de mistura rápida e é então passado através da bacia de floculação onde ocorre uma mistura lenta do resíduo, permitindo que as partículas se agrupem na forma de sólidos mais sedimentáveis e pesados. Uma melhor mistura é facilitada com a ajuda de ar difuso ou pás mecânicas. Polímeros orgânicos naturais, eletrólitos inorgânicos e polieletrólitos sintéticos são os vários tipos diferentes de químicos usados para a coagulação. Dependendo das características e propriedades químicas dos contaminantes, os químicos específicos são selecionados.

Sedimentação

O principal objetivo da sedimentação primária é permitir a separação das frações de fase sólida e líquida na água residual. Remove sólidos prontamente sedimentáveis usando gravidade. Os sólidos são principalmente orgânicos, bem como material flutuante como gorduras, óleos e graxa. Os sólidos sedimentados são conhecidos como lodo primário. Portanto, o processo reduz o teor de SS da água residual de entrada. Embora o volume de lodo primário seja apenas cerca de 2% do volume total de água residual de entrada, ele compõe cerca de 30% a 40% da carga orgânica recebida (expressa como DQO) e alguns 40% a 60% da carga de SS. Defletores e desempoeiradores de óleo para remover graxas e sólidos flutuantes são incluídos na câmara de sedimentação e também pode haver raspadores mecânicos para remoção de lodo do fundo da câmara.

A eficiência de remoção de sólidos depende das características do tanque de sedimentação ou decantador. Um tanque de sedimentação é um dispositivo que inclui defletores de entrada para dissipação de energia, zona de calma para sedimentação de particulados, meios mecânicos para remoção de sólidos sedimentados e baixa velocidade de fluxo para a saída.

Tanques de floculação e sedimentação podem ser retangulares, circulares ou de placas inclinadas (Lamella), a seleção dos quais baseia-se em condições locais do local, área disponível e experiência da equipe de projeto. Idealmente, dois ou mais tanques são necessários. Tanques retangulares e Lamella usam menos área de terra que tanques circulares e são úteis onde a disponibilidade de terra é menor.

Tanques retangulares têm padrões de fluxo reto para aumentar a floculação (em sedimentação quimicamente auxiliada) e reduzir tempo de retenção. A água entra em uma extremidade, passa por um arranjo de defletores de entrada e percorre o comprimento do tanque até os vertedores e calhas de efluente. São projetados para ter razão comprimento:largura de 3:1 a 5:1 fornecendo grande zona de sedimentação efetiva aproximando-se de condições ideais, e inclinação de fundo de 1%. Um raspador mecânico no fundo move coletando o lodo sedimentado em uma zona de coleta. O lodo é então bombeado subsequentemente.

Em decantadores circulares (Fig. 2), o padrão de fluxo é radial. Para alcançar o padrão de fluxo radial, a água residual é introduzida na maioria dos projetos no centro ou às vezes ao redor da periferia do tanque. No projeto central, a água residual é transportada através de um tubo e defletor central conhecido como "poço central" e flui radialmente em direção a um vertedor que circunda a circunferência do tanque. O poço central tem diâmetro tipicamente entre 15% a 25% do diâmetro total do tanque e altura de 1 m a 2,5 m. A zona de sedimentação tranquila deve ser grande o suficiente para atender aos requisitos de taxa de transbordo e profundidade para sedimentação discreta e floculante.

Água tratada é descarregada sobre placas de vertedor em V. O fundo é inclinado para auxiliar na concentração e remoção de lodo. O lodo é removido usando rastelos mecânicos. Tempo de detenção típico em tanque de sedimentação é 2 a 3 horas. Remoção de sólidos suspensos é 45% a 55%.

Fig. 2 Esquemático de um tanque de sedimentação circular

Flotação a Ar Dissolvido

Bolhas de ar são usadas neste processo. São necessárias para elevar as partículas suspensas na água residual até o nível da superfície para que possam ser facilmente coletadas e removidas. As bolhas de ar introduzidas na água residual ligam-se principalmente às partículas ajudando-as a flutuar. Sólidos suspensos, óleo e graxas dispersos de águas residuais oleosas e alguns outros efluentes podem ser removidos pelo processo de flotação a ar dissolvido (FAD).

Para remoção de óleo e graxa, a flotação a ar dissolvido é bem adequada, especialmente onde a gravidade específica dos sólidos suspensos é próxima a 1,0. O processo FAD usa ar pressurizado para liberar microbolhas de ar (10 a 50 micrômetros de diâmetro) que se ligam às partículas, facilitando a subida das partículas de óleo livre à superfície para serem removidas por desempoeiramento. O processo FAD é muito eficaz na remoção de óleo e graxa, pois o óleo não sedimenta naturalmente, tendo gravidade específica menor que a da água. Quando o óleo está presente na forma emulsionada, precisa de químicos para desestabilizar a camada de emulsão de óleo.

O fluxo de água pressurizada pode ser a entrada total de água residual, parte do fluxo de entrada, ou água já tratada pelo processo (efluente). Isso resulta em flotação a ar dissolvido em três tipos de processo utilizáveis, chamados fluxo total, fluxo parcial ou fluxo recirculado respectivamente. A Fig. 3 mostra um esquema do processo FAD. A aplicação mais comum de FAD para tratamento de águas residuais é um sistema de fluxo recirculado, pois precisa de menos equipamentos para pressurização (menor consumo de energia), evita problemas de abrasão de bombas e previne formação de coloides e emulsões no sistema de bombeamento.

O processo FAD pode reduzir concentrações de óleo a 10-25 mg/litro, desde que a concentração de entrada não seja maior que 500 mg/litro. O processo FAD opera em taxas de carga hidráulica mais altas que sistemas de sedimentação por gravidade e, portanto, tempos de detenção são menores em 15 a 30 minutos. Isso permite que o processo FAD seja mais compacto e tenha pegada menor. Sistemas de processo FAD estão disponíveis em configurações circulares ou retangulares.

Fig. 3 Esquemático do processo de flotação a ar dissolvido

No tanque de retenção, a água residual é pressurizada e contatada com ar. A água super-saturada e pressurizada passa por uma válvula redutora de pressão para o fundo do tanque de flotação. O ar super-saturado começa a sair na forma de bolhas finas da solução, à medida que a pressão começa a liberar. As bolhas de ar ligadas às partículas suspensas e aprisionadas no floco de lodo flutuam sobre a superfície e estas flutuações são sempre varridas da superfície e o lodo é então coletado do fundo do tanque. A eficiência de remoção de óleo do processo FAD pode ser aumentada pela adição de certos coagulantes.

Processos de Tratamento Químico

O tratamento químico pode ser usado, preferencialmente antes do tratamento biológico, pois remove químicos tóxicos que podem matar os microrganismos, ou em qualquer etapa do processo de tratamento quando necessário. Processos de tratamento químico são descritos abaixo.

Remoção de Sólidos Dissolvidos

Sólidos dissolvidos podem ser removidos através de vários métodos: (i) conversão em materiais suspensos, normalmente usando químicos para precipitar o contaminante como sólido ou gás, permitindo sua remoção por separação física, (ii) adsorção em material sólido, que pode ser suspenso ou fixo como leito, como carvão ativado em pó ou granular, (iii) rejeição usando processos de membrana densa, como osmose reversa ou nanofiltração, ou (iv) conversão em produtos finais relativamente inócuos.

A conversão envolve necessariamente química ou bioquímica, e a reação química pode ser de redução/oxidação (redox) ou não-redox. Muitos processos químicos e bioquímicos operam por oxidação, sendo os produtos finais no caso de poluentes orgânicos normalmente dióxido de carbono, nitrato e água. Exemplos de redução química incluem a neutralização de cloro em excesso usando bissulfito ou a redução bioquímica de nitrato a nitrogênio, esta última chamada de "desnitrificação". Também existem muitos processos químicos não-redox importantes, como ajuste de pH ou precipitação de sais de terras alcalinas como carbonato de cálcio ou sulfato.

Neutralização

Existe uma ampla faixa de pH da água residual não tratada e não é tão fácil tratar a água residual com tal faixa variável de valor de pH. Para otimizar a eficiência do tratamento, o processo de neutralização é usado para ajustar o valor de pH. Para reduzir o valor de pH, ácidos sulfúrico ou clorídrico podem ser adicionados e para elevar o valor de pH, cal desidratada ou hidróxido de sódio alcalinos podem ser adicionados. Normalmente o processo de neutralização é realizado em tanque de mistura rápida ou em tanque usado para equalização. Para controlar o pH do descarte a fim de atender aos padrões, o processo de neutralização pode ser realizado no final do tratamento.

Precipitação

O processo de precipitação é realizado em duas etapas para remoção de compostos metálicos do fluxo de água residual. A mistura de precipitantes com a água residual e permitindo a formação de precipitados metálicos insolúveis é a primeira etapa do processo de precipitação. A remoção dos metais precipitados da água residual através de clarificação e filtração é realizada na segunda etapa e então o lodo resultante é tratado de maneira adequada, e após tratamento, é reciclado ou descartado. O parâmetro importante a considerar em uma precipitação química é o controle de pH.

A solubilidade de hidróxidos metálicos aumenta em pH mais altos ou mais baixos e é de natureza anfotérica. Assim, para a precipitação de hidróxido para cada metal, existe um valor ótimo de pH. Como normalmente há mais de um metal na água residual, torna-se muito difícil selecionar o químico de tratamento ótimo e o controle de pH torna-se mais difícil e também envolve uma transação entre as melhores remoções possíveis de dois ou mais metais. Cal, hidróxido de sódio, cinza de sódio, sulfeto de sódio e sulfato ferroso são os vários químicos diferentes usados para o processo de precipitação. O processo para remoção efetiva de metais como antimônio, arsênio, cromo, cobre, chumbo, níquel e zinco é normalmente a precipitação de hidróxido e para remover mercúrio, chumbo, cobre, prata, cádmio etc. usa-se precipitação de sulfeto. A Fig. 4 mostra diagrama de fluxo do processo de tratamento químico para remoção de metais.

Fig. 4 Diagrama de fluxo do processo de tratamento químico para remoção de metais

Tratamento Secundário

O processo de tratamento secundário envolve desintegração ou decomposição das substâncias orgânicas suspensas e dissolvidas presentes na água residual usando microrganismos. O processo de lodo ativado (PLA) e os métodos de filtração biológica são os processos de tratamento biológico principalmente usados. O processo de tratamento biológico principalmente usado para o tratamento secundário baseia-se na ação microbiológica para decompor a água residual orgânica suspensa e dissolvida. Os microrganismos podem ser usados para compostos naturais, tanto como fonte de carbono quanto como fonte de energia.

Para remoção de poluentes orgânicos, o processo de tratamento secundário mais eficiente é o tratamento biológico. Ele emprega principalmente microrganismos naturalmente presentes na água residual para decompor contaminantes orgânicos. Alguns compostos inorgânicos como amônia, cianeto, sulfeto, sulfato e tiocianato também são biodegradáveis biologicamente. Processos biológicos podem ser amplamente classificados como: (i) aeróbicos, nos quais os microrganismos usados precisam de oxigênio para crescer, (ii) anaeróbicos, nos quais os microrganismos crescem na ausência de oxigênio mas usam outros compostos como sulfato, fosfato ou outros orgânicos presentes na água residual além do oxigênio, e (iii) facultativos, nos quais os microrganismos podem crescer na presença ou ausência de oxigênio.

Processos aeróbicos consistem de um reator biológico com quantidade controlada de biomassa e um decantador para separação da biomassa do efluente final. Processos aeróbicos precisam de maiores entradas de energia e produzem maiores quantidades de lodo comparados a sistemas anaeróbicos. Como exemplo, para a mesma carga de 100 kg DQO entrando na estação de tratamento aeróbico, a energia necessária é 100 kWh para aeração e produz 30-60 kg de lodo com carga de DQO de efluente de saída de 2-10 kg. Na estação de tratamento anaeróbico para a mesma carga de 100 kg DQO, a produção de lodo é apenas 5 kg, ou seis a doze vezes menos, e produz 40-45 m³ de biogás que pode ser convertido para produzir 382 kWh de eletricidade. No entanto, a DQO da água de saída é o dobro da estação aeróbica, e portanto de qualidade inferior.

Parâmetros-Chave do Tratamento Biológico

Tempo de retenção hidráulico – É o tempo médio no tanque de aeração equivalente ao volume do tanque dividido pelo fluxo médio e expresso em horas. O tempo de retenção hidráulico deve ser suficientemente longo para remover a DBO pré-requisito e depende do tipo de sistema de tratamento biológico. Pode variar de 0,5 a 120 horas. Quanto menor o tempo de retenção hidráulico, mais rápido a água residual atinge a saída.

Sólidos suspensos da mistura líquida (SSML) – Nível de sólidos suspensos é um dos parâmetros de controle mais importantes em processos biológicos de tratamento de águas residuais. Não está apenas diretamente relacionado às propriedades de sedimentação do lodo e qualidade do efluente, mas também relacionado à razão alimento/microrganismo que por sua vez está relacionada a todos os aspectos das propriedades do lodo. SSML representa os sólidos suspensos totais incluindo bactérias, biomassa morta e formas de vida superiores, independentemente da atividade biológica. A porção orgânica do SSML é representada por "sólidos suspensos voláteis da mistura líquida" (SSMVL) que representa a biomassa. SSML é controlado pela taxa de descarte de lodo. SSML típicos dependem do tipo de processo. Quanto mais concentrado é o SSML, menor é a pegada do equipamento e daí a popularidade de biorreatores de membrana (MBR) em locais com restrição de espaço. SSMVL é 0,75 SSML.

Razão alimento/microrganismo (A/M) – É um termo usado para expressar a carga orgânica de um processo de lodo ativado. A/M é fator crítico no projeto e operação do processo, especialmente na determinação do volume do tanque de aeração. Faixa de A/M é cerca de 0,5 a 1,5. Para usinas convencionais, visa-se A/M de 0,2 a 0,5. Em estações de tratamento biológico operando em cargas A/M altas (0,8 a 1,5), a taxa de tratamento aumenta ao custo de baixa sedimentabilidade do lodo. Processos operando em cargas A/M baixas (0,05 a 0,2) estão associados a taxas lentas de remoção de DBO mas com boa sedimentação do lodo. No entanto, o sistema pode ser facilmente perturbado por pico de carga orgânica.

Idade do lodo – Também conhecida como "tempo médio de residência celular" (TMRC) e "tempo de retenção de sólidos" (TRS). É calculada como a quantidade total de lodo no tanque de aeração e decantador dividida pelas perdas diárias de lodo através de lodo ativado descartado e efluente. A idade do lodo pode variar de 0,5 dia a 75 dias em sistemas de baixa taxa de crescimento. A idade do lodo é uma indicação das razões A/M. Tempos menores indicam altas razões A/M e tempos maiores indicam baixas razões A/M. A idade do lodo é expressa pela equação "idade do lodo = massa de lodo em (tanque de aeração + decantador) / perdas diárias de lodo".

A qualidade da idade do lodo pode ser determinada usando microscópio a 100x de ampliação. Análise microscópica diária pode prevenir problemas. Microrganismos considerados importantes no tratamento biológico são bactérias, fungos, algas, protozoários, rotíferos e vermes. A presença de organismos indicadores de formas de vida superiores normalmente correlaciona-se com desempenho da usina. Eles podem indicar se o lodo é jovem, médio ou velho. Bom lodo sedimentável é caracterizado pela presença de protozoários como ciliados pedunculados e suctorians e normalmente é marrom-dourado (estações de tratamento de esgoto). Baixa idade do lodo é caracterizada pela ausência de ciliados pedunculados e predominância de ciliados nadadores livres como paramécio (estes gastam muita energia nadando) e alta carga de DBO pela ausência de formas de vida superiores. Lodo velho é caracterizado pela presença de muitos vermes (nematóides) ou rotíferos.

Outro indicador útil é o "índice de volume de lodo" (IVL). O lodo é colocado em cilindro graduado de 1 litro e a porcentagem de lodo sedimentado em intervalos de 5 minutos é anotada por 30 minutos. IVL é expresso em ml/g. É um teste confiável de solução de problemas. Valores de IVL podem variar de 30 ml/g a 400 ml/g. Valores abaixo de 150 indicam boa sedimentação do lodo e acima disto indicam bulking de lodo. Outras variáveis-chave que afetam a operação do reator biológico são dadas abaixo.

Requisito de oxigênio – Oxigênio é necessário para decomposição de matéria orgânica. A concentração depende do consumo de matéria orgânica, demanda de respiração endógena e nitrificação total de NTK (nitrogênio Kjeldahl total) oxidação. Concentração típica de oxigênio em tanque de aeração é 2-4 mg/l. Valores mais altos são mantidos para remoção de nitrogênio. Acima disto, eletricidade é desperdiçada.

Produção de lodo (rendimento de lodo) – A decomposição da biomassa produz lodo. Para sistemas industriais convencionais, a produção de lodo pode ser tão baixa quanto 0,15 kg/kg DBO, como na coqueria.

Taxa de recirculação de lodo – Uma porção do lodo produzido é recirculada para promover produção de mais lodo no tanque de aeração. É a razão entre o fluxo volumétrico de recirculação de lodo e fluxo volumétrico de entrada de tratamento. Em qualquer caso, a capacidade do sistema de recirculação de lodo não deve ser inferior a 200% do fluxo médio diário total de entrada.

Requisitos de nutrientes (razão C:N:P) – Além de carbono, hidrogênio e oxigênio, a biomassa precisa de nitrogênio, fósforo e micronutrientes como ferro, cálcio, magnésio, cobre, zinco etc. A maioria das águas residuais industriais carece de N e P que devem ser adicionados (na forma de ureia, superfosfato ou fosfato de amônio) para manter condições ideais de crescimento microbiano. A razão mínima C:N:P necessária para crescimento microbiano ótimo em processos aeróbicos é 100:5:1, e processos anaeróbicos é 330:5:1.

Processos Biológicos Mais Comuns

Processos Aeróbicos – Processo de Lodo Ativado

Processos biológicos empregando biomassa aeróbica em suspensão são tradicionalmente conhecidos como processos de lodo ativado. O PLA foi desenvolvido no Reino Unido no início de 1900 para tratamento de esgoto doméstico e desde então foi adaptado para remoção de orgânicos biodegradáveis em águas residuais industriais. O PLA e suas variantes são capazes de tratar águas residuais biodegradáveis de força moderada (10-1.000 mg/l DBO) a alta força (maior que 1.000 mg/l DBO). O PLA não remove metais pesados ou SST. Alguns contaminantes como cianeto e metais pesados como cromo e mercúrio, presentes na água residual, atuam como inibidores para o funcionamento adequado do PLA assim como outros processos biológicos. PLAs foram categorizados, segundo o projeto de carga de massa, em três grupos: (i) lodo ativado de baixa carga (aeração prolongada, valas de oxidação etc.), (ii) carga média (ou convencional), e (iii) alta carga.

O PLA envolve mistura de água residual primária decantada ou influente equalizado com uma cultura de microrganismos em um fluido chamado "mistura líquida". Esta mistura líquida passa por um tanque de aeração que fornece ambiente rico em oxigênio adequado para os microrganismos comerem e estabilizarem a matéria orgânica na água. A mistura traz oxigênio e alimento aos microrganismos permitindo que se agrupem enquanto impedem a sedimentação do floco no tanque de aeração. O processo produz "lodo ativado descartado" (LAD) consistindo de microrganismos e matéria microbiana em excesso. Os sólidos e água residual tratada são separados em um decantador secundário ou outra etapa de separação de sólidos como biorreator de membrana (MBR). Aqui a maior parte do LAD é retornada ao tanque de aeração como lodo ativado retornado (LAR) para manter a população microbiana no tanque de aeração, bem como garantir que o lodo ativado seja velho o suficiente para degradar DQO e hidrocarbonetos aromáticos. O restante é removido e passa por espessamento.

O decantador secundário tem duplo propósito de clarificar a água residual e concentrar o lodo. O processo é sensível a flutuações de pH, onde pH alto ou baixo pode perturbar o sistema e causar sobrecarga do decantador. A Fig. 5 mostra esquema do processo de lodo ativado e processo de biorreator de membrana.

Fig. 5 Processos PLA e MBR

Compostos contendo nitrogênio são tóxicos para vida aquática, esgotam oxigênio nas águas receptoras, afetam adversamente a saúde pública e reduzem potencial de reuso de água. Portanto, compostos contendo nitrogênio são removidos, se considerados excessivos, por processos de nitrificação e depois desnitrificação. Nitrogênio orgânico é convertido a amônia, depois convertido a nitrito, que é ainda oxidado a nitrato e finalmente a nitrogênio gasoso. A desnitrificação consome alcalinidade e precisa ser suficiente para não deprimir o pH. Requer 7,14 mg/l de alcalinidade de bicarbonato para cada 1 mg/l de nitrogênio amoniacal removido. Oxigênio também precisa ser mantido em concentrações próximas a 4 mg/l para desnitrificação. O controle do processo é normalmente personalizado para cada sistema de tratamento de efluente dependendo das características da água residual e para operação ótima.

Processos Aeróbicos – Processo de Valas de Oxidação

Este processo, desenvolvido nos anos 1950 na Holanda, é uma variante do PLA e é uma forma especial de aeração prolongada. O formato da vala de oxidação é como um anel. Água residual, microrganismos e lodo ativado são misturados em um circuito contínuo de vala para completar reações de nitrificação e desnitrificação. O equipamento de oxidação consiste de corpo da vala, misturadores de aeração e entradas e saídas. Dado seu longo tempo de retenção hidráulico de 20 a 36 horas, baixa carga orgânica e longa idade do lodo comparado ao PLA convencional, equalização, sedimentação primária e tanques de digestão de lodo são omitidos.

A vala de oxidação tem muitas vantagens: (i) baixo consumo de energia, (ii) baixa manutenção, (iii) facilidade de operação, baixo investimento de capital, (iv) menos lodo devido a longo tempo de retenção de sólidos prolongado, e (v) resistência a cargas de choque e picos hidráulicos devido a longo tempo de retenção hidráulico. As desvantagens são que a qualidade de sólidos suspensos do efluente é inferior ao processo PLA e precisa de grande área de terra.

Processos Aeróbicos – Reator Batelada Sequencial

O processo de reator batelada sequencial (RBS) difere dos outros PLAs. É um processo em batelada. O princípio é que todas as etapas do processo do PLA, ou seja, decantação primária, oxidação biológica e decantação secundária ocorrem em um único tanque. As etapas do processo são: enchimento, reação, sedimentação, retirada e ocioso. RBS é compacto e tem baixo investimento de capital. É usado quando a área de terra é escassa, pois precisa apenas de um tanque para cumprir as etapas de aeração e clarificação. Também é usado para tratar nitrogênio e fósforo. Ciclos padrão são normalmente de 4 a 6 horas, resultando em 4 a 6 ciclos de reação por dia. Comparado ao PLA convencional, é resistente a carga de choque, operação flexível devido a ajuste de tempo de execução e baixa produção de lodo.

Filtros Percoladores

Estes filtros, desenvolvidos nos anos 1890, são exemplo de processo biológico de filme fixo comparado ao PLA que é processo em suspensão. Um filtro percolador consiste de leito de material grosso, como rochas arredondadas (25-100 mm de diâmetro), pedra britada, ripas de madeira ou plástico e anéis de plástico sobre os quais a água residual é descarregada por distribuidores de aspersão móveis ou bicos fixos. A mídia do filtro fornece grande área de superfície para microrganismos se fixarem e crescerem uma biofilme gelatinosa de cerca de 10 mm de espessura. Nas porções externas da biofilme (0,1-0,2 mm) as bactérias aeróbicas decompõem a matéria orgânica. Quando a biofilme fica muito espessa, ela cai e nova camada de biofilme se forma. Filtros percoladores modernos usam mídia de plástico em vez de rochas pois pesam menos e por isso a mídia do filtro pode ter até 6 m de profundidade comparado a 3 m para filtros de rocha, permitindo filtros mais altos usando menos área de terra.

O efluente do filtro é reciclado para minimizar secagem da mídia do filtro, melhorar eficiência do filtro e reduzir potencial de odor. Às vezes, dois filtros são montados em série para lidar com água residual forte. Os aspersores rotacionam a 2-5 rpm e uma taxa de molhagem típica é 0,6-2,4 m³/hora. Quando a taxa de molhagem é muito baixa, a água não penetra a profundidade do leito do filtro uniformemente causando canalização e atuando como incubadora de moscas, bem como criando problemas de odor. Filtros de baixa taxa operam em ventilação natural, enquanto filtros de alta taxa requerem ventiladores de tiro forçado para fornecer ventilação adequada.

O filtro percolador é seguido por um decantador secundário. Filtros percoladores são classificados segundo cargas orgânicas e hidráulicas como baixa taxa, intermediária, alta taxa, filtro de desbaste e super alta taxa. Vantagens do filtro percolador: (i) menores requisitos de energia que PLAs, (ii) operação simples sem problemas de controle de inventário de SSML e descarte de lodo, (iii) melhor recuperação de cargas tóxicas de choque, (iv) sem problemas de bulking de lodo em decantadores secundários, (v) compacto e adequado para locais onde terra é escassa, (vi) menores necessidades de manutenção de equipamentos, eficaz no tratamento de alta concentração de orgânicos dependendo do tipo de mídia usado, e (vii) melhores propriedades de espessamento de lodo. Desvantagens: níveis de carga orgânica, qualidade da água de efluente (em termos de DBO e SST) inferior ao PLA e pode necessitar tratamento adicional, problemas de odor, moscas, propenso a entupimento da mídia do filtro e em baixas temperaturas sistemas de ventilação natural não operam tão bem.

Biorreator de Leito Móvel

Biorreator de leito móvel (MBBR) foi desenvolvido nos anos 1980 por Kaldnes na Escandinávia. O processo MBBR é um processo de filme fixo mais moderno no qual microrganismos crescem em mídia de plástico. A mídia é feita de polietileno ou polipropileno de alta densidade com diâmetro de 13-25 mm, e portanto tem grande área de superfície que ajuda a biomassa a crescer dentro da superfície e estão em movimento constante devido ao ar comprimido soprado de baixo do tanque. O processo tem sido aplicado em variedade de aplicações de tratamento de águas residuais industriais em modos aeróbicos e anaeróbicos com ou sem desnitrificação dependendo do modo de mistura.

Benefícios do MBBR: bom para aplicações de alta carga orgânica, características de sedimentação melhoradas, sem necessidade de recirculação de lodo do decantador secundário tornando-o processo "única passagem", compacto e baixa pegada comparado ao processo PLA e tem construção modular. Também pode adaptar sistemas PLA existentes, precisa de menos controles operacionais que PLAs, e contém menos controles mecânicos e instrumentação comparado a sistema MBR. Tempo de retenção hidráulico típico para MBBR é 2-3 horas, comparado a 12-24 horas para PLAs. Desvantagens dos MBBRs comparados ao PLA: precisa de maior concentração de oxigênio, necessidade de triagem melhorada de água residual de entrada, e perdas de carga hidráulica adicionais devido a fluxo através de dispositivos de triagem de mídia.

Biorreator de Membrana

Embora biorreatores de membrana externos tenham sido desenvolvidos originalmente nos anos 1960, tornaram-se populares apenas após o desenvolvimento de MBRs imersos (submersos) no final dos anos 1980. O menor custo operacional da configuração MBR submerso e o custo decrescente das membranas tornaram MBRs uma escolha popular para tratamento de águas residuais domésticas e industriais. MBRs são usados para resíduos industriais com DBO de 5.000-40.000 mg/l com faixas de DBO de 200-600 mg/l. A Fig. 6 mostra o princípio do biorreator de membrana.

Fig. 6 Princípio do biorreator de membrana

A qualidade do efluente final de uma unidade PLA convencional é altamente dependente das condições hidrodinâmicas no decantador e características de sedimentação do lodo. Isso leva a desempenho variável. Como resultado, grandes decantadores são necessários com longos tempos de residência. O processo MBR foi desenvolvido para remover estas desvantagens dos PLAs convencionais.

MBRs são híbridos com dois processos de tratamento interdependentes: tratamento biológico e tratamento por membrana (Fig. 5). É similar a um PLA convencional no sentido de que ambos têm sólidos da mistura líquida em suspensão em tanque de aeração. A diferença nos dois processos reside no método de separação de biossólidos. No processo MBR, as membranas criam barreira sólida para biossólidos baseada em microfiltração (MF) com tamanho de poro de 0,6 micrômetros, ou ultrafiltração com tamanho de poro de 0,04 micrômetros, e portanto não estão sujeitas às características de sedimentação por gravidade dos sólidos. Assim, uma unidade MBR traz aeração, clarificação e filtração em uma única etapa com concentrações de SSML atingindo 20.000 mg/l ou mais, resultando em pegada menor que unidades PLA convencionais.

MBRs fornecem qualidade de efluente final independente das condições do lodo com maior remoção de orgânicos e poluentes persistentes, e nutrientes com remoção de DQO de 98% e eficiência de remoção de sólidos suspensos de 100%. O efluente de alta qualidade produzido é ideal para aplicações de reuso. Outra característica dos MBRs é a longa idade do lodo. No entanto, isso também contribui para incrustação de membranas. Além disso, unidades MBR podem ser instaladas diretamente a uma planta de osmose reversa (OR), eliminando a necessidade de troca iônica ou outro equipamento para proteger uma planta de membrana, desde que dureza ou compostos de incrustação não sejam excessivos.

Existem dois tipos de configurações MBR: imerso e side-stream. Sistemas imersos são mais comuns em unidades industriais grandes, enquanto side-stream é limitado a unidades menores. Também há diferenças na membrana empregada: fibra oca, placa plana e tubular. MBRs imersos usam fibra oca ou placa plana enquanto membranas tubulares são usadas em MBRs side-stream. MBR produz nível de tratamento equivalente a processo de lodo ativado seguido por microfiltração ou ultrafiltração.

Apesar das vantagens dos MBRs, ainda existem desafios no uso de MBRs em aplicações industriais. Vantagens do MBR: (i) 25% menor pegada, (ii) substitui decantador e filtro por gravidade de sistemas convencionais, (iii) ideal para locais com restrição de terra e menor tempo de retenção hidráulico de 4-8 horas. MBR fornece barreira impermeável para sólidos produzindo efluente de mais alta qualidade com DBO menor que 5 mg/l e turbidez menor que 0,1 UNT (Unidade Nefelométrica de Turbidez). Incrustação de membrana é um dos principais desafios que resulta em desempenho reduzido e limpeza frequente ou substituição de membrana levando a custos aumentados de manutenção e operação. Todos MBRs requerem mínimo de telas finas de 3 mm. Lodo produzido pode ser difícil de desidratar. Tempo de retenção de lodo é independente do tempo de retenção hidráulico. Alta idade do lodo de 15-140 dias pode ser obtida. Tem expansibilidade modular, menos odor, operação flexível com menor susceptibilidade a perturbações. O processo pode ser automatizado.

Decantadores Secundários

O propósito do decantador é duplo. Um é espessar os sólidos após tratamento biológico e depois sedimentá-los. O segundo é produzir efluente claro dos sólidos sedimentados. Decantadores em sistemas de lodo ativado devem ser projetados não apenas para taxas de transbordo hidráulico, mas também para taxas de carga de sólidos. Isso porque tanto clarificação quanto espessamento são necessários em decantadores de lodo ativado. Das variáveis do processo, a mais importante é a idade do lodo ou tempo médio de residência celular. Outro parâmetro de controle importante é a taxa de carga de sólidos definida como a superfície requerida para espessamento adequado do lodo no fundo da unidade (zona de compressão). Os decantadores são tanto de projeto retangular quanto circular.

Tratamento Terciário

Tratamento secundário convencional frequentemente não é suficiente para atender aos padrões de qualidade de efluente requeridos para descarte de água em corpos d'água superficiais. Os efluentes podem precisar de processos terciários para completar remoção de sólidos e matéria orgânica, redução de cor ou degradação de compostos recalcitrantes, redução de nutrientes e desinfecção. Os contaminantes persistentes que o tratamento secundário não consegue remover são removidos pelo processo de tratamento terciário. Estes processos são classificados como "tratamentos terciários", pois são instalados após tratamento secundário, mas alguns deles, como processos de oxidação, também podem ser colocados antes do tratamento biológico para melhorar a biodegradabilidade de compostos recalcitrantes.

Antes da água residual tratada ser reusada, reciclada ou descartada no meio ambiente, o processo de tratamento terciário é usado como processo final de limpeza para melhorar a qualidade da água residual. Para remoção de nutrientes (nitrogênio e fósforo), remoção de toxinas [pesticidas, COV e metais], e para polimento do efluente como DBO e SST, os processos de tratamento terciário são usados. Estes processos são extensão do processo convencional de tratamento biológico secundário para maior estabilização das substâncias que demandam oxigênio na água residual, e também para remover nitrogênio e fósforo.

Técnicas de separação física e química como adsorção em carvão ativado, floculação ou precipitação são os processos envolvidos nos tratamentos terciários. As aplicações mais comuns de tratamento terciário são filtração e desinfecção e, quando aplicável, remoção de amônia e fósforo. Amônia é tóxica para peixes e fósforo causa florações de algas.

Filtração

Filtração é um processo de separação que consiste em passar uma mistura sólido-líquido através de material poroso (mídia filtrante) que retém os sólidos e permite a passagem do filtrado líquido. Filtros de polimento de mídia granular são usados para remoção de sólidos suspensos na faixa de 5-50 mg/l. Os filtros mais comuns são filtros multimídia. A qualidade do filtrado depende do tamanho, carga superficial e geometria tanto dos sólidos suspensos quanto da mídia filtrante, bem como da análise da água e parâmetros operacionais. Baseado na mídia, filtros podem ser categorizados como: (i) mídia única (areia ou antracito), (ii) mídia dupla (areia e antracito), e (iii) multimídia (granada, areia e antracito).

As mídias filtrantes mais comuns em tratamento de água são areia e antracito. O tamanho de grão efetivo para filtro de areia fina está na faixa de 0,35-0,5 mm, e 0,7-0,8 mm para filtro de antracito. Em comparação com mídia única de filtro de areia, mídia dupla com antracito sobre areia permite maior penetração da matéria suspensa no leito do filtro, resultando em filtração mais eficiente e ciclos mais longos entre limpezas. A profundidade de projeto da mídia do filtro é mínimo 0,8 m. Na mídia dupla, os filtros são normalmente preenchidos com 0,5 m de areia coberta com 0,3 m de antracito.

Em aplicações industriais, filtros são alojados em vasos de pressão de aço onde o interior é revestido com epóxi, com coletores internos para distribuição de água e sistema de drenagem inferior para coleta de filtrado e retrolavagem.

Como o vaso do filtro para filtração sob pressão é projetado para pressurização, uma queda de pressão mais alta pode ser aplicada para leitos de filtro mais altos e/ou grãos de filtro menores e/ou velocidades de filtração mais altas. Taxas de fluxo de filtração de projeto são normalmente 10-20 m/h e taxas de retrolavagem estão na faixa de 40-50 m/h. A pressão disponível é normalmente cerca de 2-4 bar ou mais.

Para águas de alimentação com alto potencial de incrustação, taxas de fluxo menores que 10 m/h e/ou segunda passagem de filtração de mídia são preferidas. Se a taxa de fluxo tiver que ser aumentada para compensar um filtro que sai de serviço, o aumento da taxa de fluxo deve ser gradual e lento para evitar liberação de partículas previamente depositadas.

Durante operação, água de entrada a ser filtrada entra no topo do filtro, percola através do leito do filtro, e é retirada através do sistema coletor no fundo. Periodicamente, quando o aumento da pressão diferencial entre entrada e saída do filtro de pressão é 0,3-0,6 bar, o filtro é retrolavado e enxaguado para remover a matéria depositada. Tempo de retrolavagem é normalmente cerca de 10 minutos. Antes de um filtro retrolavado ser colocado de volta em serviço, deve ser enxaguado para drenagem até que o filtrado atenda à especificação. Taxas de retrolavagem excessivas levam a perda de mídia do filtro.

Variações da filtração de taxa profunda são filtração de alta taxa que opera em taxas de fluxo de entrada muito mais rápidas. Além de filtros de mídia, outros tipos de filtros são filtros de disco e filtros de cartucho. Estes também são usados para proteger sistemas de filtração por membrana. Filtros de disco feitos de mídia de tecido pregueado têm taxas de fluxo muito altas e pegada pequena, produzindo água de altíssima qualidade adequada para aplicações de reuso e não precisam de retrolavagem extensiva.

Alguns processos avançados de tratamento de água também são usados como tratamento terciário. Estes processos são aplicados à água residual tratada convencionalmente para melhorar a qualidade até grau adequado para várias aplicações de reciclagem e reuso incluindo reuso potável. Processos adicionais de tratamento terciário são diferentes processos de tratamento por membrana como microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração, outros processos como osmose reversa, processos de oxidação avançada, e processos adicionais de desinfecção como ozonização e uso de radiação ultravioleta. Alguns destes processos avançados são descritos abaixo.

Tecnologia de Membrana

Membranas são escolha popular para aplicações de reuso de água desde seu advento nos anos 1960. Custos de sistemas de membrana reduziram dramaticamente e, aliados a avanços tecnológicos no design de membranas, opções de membranas e limites operacionais, a gama de aplicações em tratamento de água e águas residuais está aumentando rapidamente. Na filtração por membrana impulsionada por pressão, membranas separam componentes de um fluido sob pressão. Os poros da membrana, sendo extremamente pequenos, permitem passagem seletiva de solutos. A popularidade dos processos de membrana surge do fato de serem eficazes na remoção de ambos sólidos dissolvidos e suspensos. Uma ampla gama de materiais como acetato de celulose, poliamidas, polissulfonas, polipropileno, nylon, poliacrilonitrila, policarbonato, álcool polivinílico, politetrafluoretileno, cerâmica e compósitos metálicos são basicamente usados para produzir as membranas. O tamanho de poro da membrana é o parâmetro para o grau de seletividade de uma membrana. Baseado no tamanho de poro, existem quatro tipos de membranas impulsionadas por pressão. Microfiltração e ultrafiltração são aplicações de baixa pressão dado seu maior tamanho de poro. Nanofiltração precisa de pressão média, e osmose reversa, dado o menor tamanho de poro, precisa de pressão significativa para empurrar o soluto através da membrana.

Processos de Oxidação Avançada

Processos de oxidação avançada (POAs) são definidos como processos que envolvem geração e uso de radicais hidroxila poderosos mas relativamente não seletivos em quantidades suficientes para oxidar a maioria dos químicos complexos presentes na água de efluente. Os POAs mostram vantagens específicas sobre alternativas de tratamento convencionais pois podem eliminar componentes orgânicos não biodegradáveis e evitar a necessidade de descarte de lodo residual. Após flúor [V (volts) = -3,06], radicais livres hidroxila (OH-) têm o maior potencial de oxidação (V = -2,86). No processo POA, radicais OH- são gerados que por sua vez reagem com moléculas orgânicas para gerar CO₂ e água. POAs podem ser classificados em dois grupos: POAs não-fotoquímicos e POAs fotoquímicos. Fotoquímico significa que uma fonte de luz é necessária. Normalmente luz ultravioleta (UV) é usada como fonte fotoquímica. Lâmpadas UV de baixa pressão têm comprimento de onda de 254 nm. Absorção máxima de ozônio ocorre em comprimento de onda de 253,7 nm. Das tecnologias não-fotoquímicas, as mais prevalentes no tratamento são Ozonização, Ozônio/(H₂O₂) e reação de Fenton.

Ozonização

Descoberta em 1785, Ozônio (O₃) é um agente oxidante forte amplamente aplicado (-2,07V) para desinfecção de água potável e águas residuais, descoloração, remoção de odor, degradação de orgânicos e destruição de cianeto etc. O₃ à temperatura ambiente é um gás azulado pungente, pouco solúvel em água, altamente corrosivo, tóxico e explosivo quando concentrações no ar excedem 20%. Como germicida, é 3.125 vezes mais rápido que cloro. A eficácia da ozonização aumenta com pH e temperatura altos. Quando O₃ dissolve em água ou água residual pode permanecer como molécula O₃ (pH maior que 7 e reação mais lenta) ou decompor (pH maior que 8) produzindo radical livre hidroxila (OH-) que é agente oxidante 35% mais forte que O₃. Ambas reações ocorrem simultaneamente e portanto a cinética de reação depende fortemente das características da água residual tratada (ex: pH, concentrações orgânicas, presença de agentes espumantes e surfactantes, concentração de ozônio e temperatura etc.). pH de 8-10 é mais adequado para oxidação de compostos orgânicos. Ozônio é pouco solúvel em água e diminui rapidamente com aumento de temperatura. A 20 °C, solubilidade de 100% de ozônio em água é 570 mg/l. Faixa de temperatura preferida varia de 25-50 °C.

Mecanismo de reação simplificado de ozônio em pH alto é dado pela equação 3 O₃ + H₂O = 2 radical OH + 4 O₂. O₃ molecular é oxidante muito seletivo. Reage apenas com certos compostos e por esta razão pode ser aplicado em baixas dosagens para aplicações de águas residuais industriais. Também pode inibir ou destruir propriedades espumantes de surfactantes residuais bem como oxidar boa porção da DQO. Assim, O₃ melhora a biodegradabilidade geral do efluente convertendo compostos recalcitrantes em compostos facilmente digeríveis e pode ser aplicado a montante ou a jusante de uma estação de tratamento biológico. O oxigênio residual no gás de ventilação pode ser reciclado de volta à estação de tratamento biológico secundário, reduzindo requisitos de aeração. Outra vantagem é que não aumenta massa de lodo.

O₃ pode ser aplicado na forma gasosa e devido à sua natureza instável precisa ser gerado no local a partir de ar ou oxigênio puro usando radiação UV, eletroquímica ou geradores de descarga corona. Detectores de vazamento de O₃ devem ser instalados para dar avisos audíveis e visíveis e desligar geradores em caso de vazamento. O₃ é desativado na presença de alta concentração de sais. Variação deste processo é o processo O₃/H₂O₂. Desenvolvido para reduzir concentrações de O₃, o H₂O₂ atua como catalisador aumentando a capacidade de O₃ de produzir mais radicais OH. Em pH baixo, H₂O₂ reage muito lentamente com O₃ e em pH alto (condições alcalinas) reage rapidamente.