Tratamento de Efluentes Líquidos: Técnicas e Processos, Notas de estudo de Arquitetura

Baixe Tratamento de Efluentes Líquidos: Técnicas e Processos e outras Notas de estudo em PDF para Arquitetura, somente na Docsity! Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Para se conseguir boas eficiências de remoção de cada um desses parâmetros, as técnicas de tratamento são divididas em graus ou níveis: pré-tratamento ou tratamento preliminar, tratamento primário, tratamento secundário e tratamento terciário. VI.1. Tratamento preliminar O tratamento preliminar tem como objetivo principal a redução de sólidos grosseiros em suspensão. Não há praticamente remoção de DBOs (5-25%), pois consiste na preparação do efluente (condicionamento) para o tratamento posterior, evitando obstruções e danos em equipamentos eletromecânicos da planta de tratamento. As seguintes técnicas são empregadas nesta fase de tratamento: gradeamento « peneiramento « desarenação « neutralização « equalização VI.1.1. Gradeamento O gradeamento objetiva a remoção de sólidos bastante grosseiros, com diâmetro superior a 10 mm, como materiais plásticos e de papelões constituintes de embalagens, pedaços de madeira e metal, etc. Os dispositivos de remoção de sólidos grosseiros (grades) são constituídos de barras de ferro ou aço paralelas, posicionadas transversalmente no canal de chegada dos efluentes na estação de tratamento, perpendiculares ou inclinadas, dependendo do dispositivo de remoção do material retido. As grades devem permitir o escoamento dos efluentes sem produzir grandes perdas de carga (Fig. VI. 1). As grades podem ser classificadas de acordo com o espaçamento entre as barras: grades grossas têm espaçamento entre as barras de 5 — 15 cm; grades médias, de 2 — 5 cm; e grades finas, de lcm ou menos. As grades com dispositivo de remoção mecanizada de material retido são implantadas com inclinações que variam de 70 a 90º, enquanto que as de remoção manual possuem inclinações variando geralmente na faixa de 45 a 60º (ângulo formado pela grade e o fundo do canal a jusante). Nas estações de grande porte, as grades devem posuir dispositivo mecanizado de remoção do material retido, que é constituído de um rastelo mecânico tipo pente cujos dentes se entrepõem nos espaços entre as barras da grade. O rastelo é acionado por um sistema de correntes, sendo que a remoção se dá no sentido ascendente e na parte superior o material é depositado sobre esteira rolante que o descarrega em caçamba. Nas grades manuais, o operador remove o material retido através de ancinho, quando a seção obstruida atinge cerca de 50% do total. O material removido é depositado em tambores ou caçambas possuindo orifícios no fundo para o escoamento da água. O material retido pode sofrer processo de lavagem, secagem e adição de substâncias químicas antes do envio a aterros sanitários ou incineradores. 32 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Fig. VI.1 — Grade com limpeza mecânica. Dimensionamento das Grades As grades são projetadas para que ocorra uma velocidade de passagem entre 0,6 e 1,0 m/s, tomando-se por referência a velocidade máxima horária do efluente. A obstrução máxima admitida é de 50% da área da grade, devendo-se adotar como perdas de carga mínimas os valores de 0,15 m para grades de limpeza manual e 0,10 m para grades de limpeza mecanizada. Para o cálculo da perda de carga nas grades, pode-se utilizar a fórmula de Metcalf & Eddy: AH=1,43.(V-v)2g, onde v é a velocidade de passagem pela grade e vo é a velocidade de aproximação. A relação entre a área da seção transversal do canal e a área útil da grade é dada por: S=Ay.(a+t)/a, onde: S = área da seção transversal do canal, até o nível de água, Ay = área útil da grade, a = espaçamento entre as barras e t= espessura das barras. A relação a / (a + t) é chamada de eficiência (E) da grade e representa a fração de espaços vazios em relação à área total. Fixando-se a velocidade de passagem, pode-se determinar a área útil da grade através da equação: Au = Qmáx / V. 33 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota As caixas de areia são projetadas para uma velocidade média dos efluentes de 0,30 m/s e tempos de retenção hidráulica da ordem de 1 minuto. A velocidade é mantida aproximadamente constante, apesar das variações de vazão, através da instalação de uma calha Parshall a jusante. Velocidades baixas, notadamente as inferiores a 0,15 m/s, provocam depósito de matéria orgânica na caixa, indicado pelo aumento da relação SSV/SST do material retido e pela exalação de maus odores devido à decomposição. Velocidades superiores a 0,40 m/s provocam arraste de areia e redução da quantidade retida. Algumas caixas de areia são tanques longos de seção retangular ao longo dos quais injeta- se ar difuso de um dos lados (Fig. VI.4). O ar injetado faz com que a água tome um movimento helicoidal (movimento em parafuso) que permite a sedimentação das partículas de areia e ao mesmo tempo evita-se a exalação de maus odores. A velocidade do efluente é controlada pela taxa de injeção de ar, geralmente de 0,15 — 0,45 m”/min de ar por metro de comprimento do tanque, enquanto o tempo de retenção hidráulica é de cerca de 3 minutos na vazão máxima. Helical qua ow partem | redemoinho > Ae difusor Traectoyor gitpanices calha coletora de areia Fig. VI.4 — Desarenadores com injeção de ar (aerados). Pertuwbações na operação podem ocorrer devido à elevada concentração de matéria orgânica no efluente. Neste caso, recomenda-se uma menor velocidade ou maior retenção hidráulica do efluente e aeração pode ajudar na eliminação de odores. O arraste de areia, que ocorre em função de problemas de dimensionamento, pode ser evitado reduzindo-se a vazão ou aumentando-se a frequência de limpeza. O desempenho pode ser avaliado pela razão Va/Ve e pelo percentual de sólidos voláteis e umidade no material retido. a) Va/Vp=2a4 mº de areia/100.000 m” de esgoto tratado VA = volume de areia removido Ve = volume do efluente tratado Q = vazão média do efluente 36 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota T = período do tratamento Se Va/Ve > 15/100.000 existem infiltrações na rede de esgoto e se Va/Ve < 1/100.000, falhas no processo de tratamento. bd) %SV=SV/STx 100 SV = sólidos voláteis existentes na areia ST =sólidos totais existentes na amostra retirada da caixa de areia % SV tolerável até 30%. Valores mais altos indicam problemas de projeto, recomenda-se reduzir a vazão. c) Umidade normal = 20-30%. Dimensionamento de caixas de areia O comprimento (L) da caixa de areia é determinado considerando-se a velocidade dos efluentes de 0,30 m/s e a velocidade de sedimentação da areia de 2 cm/s. Para que a partícula que passe sobre a caixa na linha de corrente mais alta atinja a câmara de estocagem de areia, é preciso que percorra H na vertical enquanto percorre L na horizontal. vt paraw=03m's e w=00mis=5L=15.H 37 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Costuma-se introduzir um coeficiente de segurança de 1,5 devido ao efeito de turbulência e considerar-se L = 22,5.H ou L = 25.H. A NB-570 recomenda que a taxa de escoamento superficial com base na vazão máxima resulte na faixa de (700 a 1300) m*/m? d. Largura da caixa de areia: Q=S.Vi=b.h.Vi b=Q/(Vih) Controle da velocidade através de calha Parshall A + Hy Y H TO Ea - Ra x cu Para se manter a mesma velocidade na caixa de areia tipo canal, a velocidade constante é controlada por calha Parshall, para Qmin € Qmáx, tem-se: em E mp2 Orr Hm — EL Fórmula da calha Parshall: Q=K.HN onde: Q = vazão (m/s) H =altura de água (m) Valores de K e N: Largura N K Capacidade (L's) Nominal Min Máx. 3" 1,547 0.176 0,85 53.8 6 1.580 0.381 1,52 110.4 or 1,530 0,535 2,55 251.9 1 1,522 0.690 311 455.6 12 1,538 1.054 425 696.2 2” 1,550 1.426 11.89 936.7 38 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Aumentando-se a concentração de sólidos em suspensão, passa a prevalecer a sedimentação do tipo II, também chamada de sedimentação floculenta. Neste caso, a maior concentração de partículas permite a formação de emaranhados ou flocos de maior velocidade de sedimentação ao longo de suas trajetórias, fazendo com que a velocidade de sedimentação aumente com a profundidade. É o que tipicamente ocorre nos decantadores primários das estações de tratamento de efluentes, onde a relativa e elevada concentração de sólidos em suspensão permite tais interações. A partir deste caso, não é mais válida a lei de Stokes, devendo-se proceder ensaios em colunas de sedimentação para a obtenção de parâmetros para o projeto das unidades. EL E Vs L Determinação da sedimentação floculenta em escala piloto Em determinados intervalos de altura (ex. 0,60 m) $>150mm coloca-se registros para a coleta de amostra e determina-se a conc. de sólidos suspensos (SS) em função do tempo. Determina-se o % de remoção para cada tempo e altura e monta-se uma tabela com os dados obtidos (Tabela 1): no Coleta de h) % = (conc. incial — conc. presente)/conc. inicial mestras . 1º «S-loom Faz-se interpolações entre os pontos calculados para altura construir curvas de percentagem constante (a intervalos hn aproximada : 2 do decantador de 5 ou 10%) x tempo (Figura 1). Cada ponto de interseção destas curvas com a linha 2 < horizontal que marca o fundo da coluna (altura da coluna - H) define uma taxa de transbordo (v): v = H/t; o60m |-— Uma linha vertical é traçada de t;, atravessando todas as curvas de % constante, e pontos medianos entre as curvas são definidos (H,, Ho», Hs, etc.).Para cada tempo t; pode-se construir uma linha vertical e calcular a fração de sólidos removida (Tabela 2). Rr, =R, + Hy/H (R$-R5) + H,/H (Re-R,) +... Ra = fração de sólidos removida no tempo ta R, Ry, Re = frações de % constantes a, b, c. = R|9som hs 3 0.60m Dois gráficos são então construídos (Figura 2) e destes são retirados o TRH e a taxa de transbordo. Eckenfelder recomenda fatores de scale-up de: sa - 0,65 para taxa de transbordo [| - 1,75 para TRH Coluna cilíndrica com 2 > 15 cm eh > ao do decantador para o ensaio de sedimentação. 4 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Tabela 1 — Percentuais de remoção de sólidos suspensos para cada tempo e altura. Profundidade h;=0,60m h,=1,20m h;=1,80m ss > Presente Removido Presente Removido Presente Removido Tempo (min) 4 (mgL”) (%) (mg LU) (%) (mg Lº) (%) 0 350 0 350 03 350 03 10 255 27 266 24 273 22 20 220 37 241 31 245 30 30 143 59 192 45 217 38 40 122 65 164 53 168 52 50 70 80 105 70 136 61 60 38 89 77 78 91 74 70 28 92 49 86 66 81 so - - 31 91 42 88 Fr , profundidade ht4 (0,50) h2% (1,20) | o o | | i ! 52 Lu 8 sa 0 ú Za fo 57 60 70 49 Figura 1 — Curvas de percentuais de remoção constantes usando uma coluna de 1,8m. Rss h3 ts=0 1012 11,80) ES Tempo (minutos) Tabela 2. Remoção de todos os % de remoção constante no cilindro de ensaio. t(min) Veloc. de Taxa sup. Y%remov. % remoção com veloc. <v, entre as curvas sedim. desedim. c/veloc. 25-35 35-50 50-60 60-70 70-85 85-90 %total vmb) (mim? db >v remov. 57 1,89 45,4 70 - - - - 105 18 82,3 49 2,20 528 60 - - - 86 75 11 77,2 38 2.84 682 50 - - 78 38 37 05 65,8 25 432 103,7 35 - 100 27 17 12 02 50,6 12 9.00 216,0 25 61 22 05 02 01 00 34,1 42 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Por exemplo, para a curva de 70%, obtem-se um tempo de 57 min na altura da coluna (1,80m)e v=1,80m/57min=1,89mh A linha vertical que parte de 57 min na curva de 70%, encontra os pontos medianos de 1,26 m (entre 70 e 85%) e 0,65 m (entre 85 e 90%). Portanto, a fração removida é: Rrzo = 70 + 1,26/1,80 (85-70) + 0,65/1,80 (90-85) = 70 + 10,5 + 1,8 = 82,3% 100 — - “a a TRH am & is N - Ho E S | - Lea ga, - uu aa = po na Pr = | 5] [a 25 | — — — 0 | 0 25 50 75 100 125 150 175 200 TAXA DE VAZÃO SUPERFICIAL (m*im2.d) Figura 2 — Remoção de SS versus tempo de retenção e taxa de transbordo. Exemplo: Determinar as dimensões de um decantador destinado a reduzir o teor de SS a 150 mg L-1, de um efluente com as características do caso anterior (SS inicial de 350 mg L-1), sendo a vazão de projeto de 21.600 mº d”. 1) Redução desejada de SS = (350 — 150)/350 = 57,14 2) Na curva da da Figura 2, para redução de 57,14%: - taxa de escoamento superficial = 83 m” m” d! - tempo de detenção = 32 min Aplicando os fatores de scale-up: - taxa de escoamento superficial = 83 (0,65) = 53,95 mm? d! - tempo de detenção = 32 (1,75) = 56 min 3) Área superficial do decantador = Q/Taxa = 21600/53,95 = 400,4 m? - diâmetro do decantador, considerando circular (A = Ud2/4), d=22,6m - volume útil do decantador V = Q.t= [(21600.56)/(60*24)] = 840 m” - altura útil do decantador = V/A = 840/400,4=2,] m 43 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota estão posicionadas, à superficie, as canaletas de coleta do efluente decantado cujas funções são as de reduzir a velocidade do efluente na região de saída evitando-se a ressuspensão de lodo. Nestes decantadores pode ser observada também uma tubulação transversal de coleta de escuma superficial identificada por skimmer. As comportas de distribuição dos efluentes, no canal de entrada do decantador, têm a função de evitar escoamentos preferenciais. Para o tratamento de alguns efluentes industriais são necessários removedores de lodo através de aspiração. Este processo mais sofisticado se justifica quando os sólidos sedimentados são tão leves que podem ser ressuspensos pela ação dos raspadores. Nas estações de pequeno porte pode-se optar pelo emprego de decantadores sem raspador mecânico de lodo, derivados dos chamados decantadores Dortmund. O decantador Dortmund é de seção circular em planta mas com o fundo em tronco de cone invertido com paredes bem inclinadas, permitindo que todo o lodo convirja para um único "poço de lodo", de onde o lodo sedimentado pode ser removido por pressão hidrostática. São posicionados anteparos na região de entrada dos efluentes para direcionar o fluxo de sólidos para baixo e na região de saida para a retenção de escuma. Uma tubulação com derivação horizontal é posicionada para a remoção do lodo sedimentado por pressão hidrostática. Podem também ser utilizados os decantadores desprovidos de remoção mecanizada de lodo de seção quadrada em planta, de fundo com o formato de tronco de pirâmide invertida. Destes, derivaram os de seção retangular em planta com fundos múltiplos tronco- piramidais. Estes decantadores são baratos para serem implantados por não possuirem os removedores mecanizados de lodo. No entanto, consomem mais concreto armado para a construção dos fundos múltiplos e são mais profundos, o que aumenta os problemas de escavação. Dimensionamento de decantadores primários De acordo com a NB-570, os decantadores primários devem ser dimensionados com base na vazão máxima horária de efluente e para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s deve-se empregar mais de um decantador. Para a determinação da área de decantação deve-se utilizar como parâmetro a taxa de escoamento superficial. Na literatura internacional são recomendadas taxas na faixa de 30 a 60 m*/m2 dia e tempo de retenção hidráulica entre 1,5 e 3,0 h. A NB-570 impõe três condições para a adoção da taxa de escoamento superficial para decantadores primários: a) até 60 m'/mÍ dia, só tratamento primário b) até 80 m*Amr? dia, seguido de filtros biológicos c) até 120 m?/m? dia, seguido de lodos ativados A NB-570 recomenda tempo de retenção hidráulica superior a 1 h, com base na vazão máxima de efluente e inferior a 6 h, com base na vazão média. Determina-se a área de decantação através da taxa de escoamento superficial e o volume do decantador através do tempo de retenção. Obtendo-se área e volume, pode-se obter a profundidade útil dos decantadores. 46 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Para decantadores retangulares a relação comprimento largura deve ser superior a 2:1, sendo típicos valores na faixa de 3:1 a 4:1, ou mais. As profundidades dos decantadores variam de 2,0 a 4,5 m, sendo mais comuns na faixa de 3,0 a 4,0 m. A NB-570 impõe que os decantadores devem possuir profundidade superior a 20m. Os sedimentadores lamelados empregam um conjunto de lâminas, em geral de material plástico, inclinadas e espaçadas de alguns cm, quepermitem aumentar a eficiência de coleta das partículas. Em decorrência, esses sedimentadores operam com capcidades bastante elevadas (da ordem de 20 mº/m?.h ou 480 m/mê dia). VI.2.2. Coagulação/Floculação Processo que visa remover material coloidal e partículas muito finas que sedimentam muito lentamente. Os colóides podem ser formados por microorganismos, gorduras, proteinas, e argilas, estando o diâmetro das partículas coloidais na faixa de 0,1 de 0,01um. Os colóides possuem propriedades elétricas que criam uma força de repulsão que impede a aglomeração e sedimentação das partículas. Assim, as particulas permanecem muito pequenas, e não sedimentam facilmente, não podendo ser removidas por processos fisicos convencionais. Quando a sedimentação toma-se ineficiente, devido à velocidade de sedimentaçãoflotação ser muito pequena, emprega-se o processo de coagulação/floculação. Define-se Coagulação como o processo de desestabilização de colóides e Floculação como o processo de agregação e neutralização de colóides mas, geralmente, estes processos ocorrem simultaneamente chamando-se assim o processo de Coagulação/Floculação. A desestabilização de colóides pode ser conseguida por diversos meios: calor, agitação, adição de agentes coagulantes químicos, processos biológicos, passagem de corrente elétrica (eletrocoagulação), ou ainda a eletrocoagulação com a adição de coagulantes químicos. A adição de agentes coagulantes é muito utilizada, sendo também eficaz para a remoção de fósforo, tendo como desvantagens o custo dos produtos químicos e o maior volume de lodo formado. As grandes vantagens são a praticidade e a boa qualidade dos efluentes obtidos. Os coagulantes mais comuns são o sulfato de alumínio e o cloreto férrico (reações 1 e 2 abaixo). Entretanto, o uso de polieletrólitos sintéticos tem suplantado os coagulantes tradicionais. A(SO4):.14H,0 <> 2AI(OH): (5) + 3H;SO4 + 8H,0 (1) FeCl; + 3H0 < Fe(OH): (s) + 3HCI (2) Estas substâncias neutralizam as cargas elétricas dos colóides e das particulas pequenas, induzindo a formação de flocos, que apresentam maior velocidade de sedimentação. O processo pode ser conduzido em um ou mais tanques, sendo constituído de uma etapa de 47 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota agitação rápida para a coagulação e de outra de agitação lenta para a floculação. O lodo gerado (sedimentado), em geral, deve ser adensado e ter um destino adequado. A dosagem de coagulante, bem como o pH adequado para as etapas de coagulação/floculação, devem ser determinados em laboratório através do ensaio de Jar Test. Teste de jarros (Jar test O Teste dos Jarros é utilizado para determinar a dosagem ótima de coagulante, bem como a influência e melhor faixa de pH a ser utilizada. O teste, geralmente, é conduzido em uma série de jarros (bechers) contendo a amostra (500 a 1000 mL) a ser tratada, na qual foram predeterminadas algumas características como pH, turbidez, alcalinidade e DQO. O volume inicial de água em cada becher deve ser igual para todos os jarros. Geralmente utilizam-se 6 jarros simultânea e uniformemente agitados constantemente. A cada um dos jarros adiciona-se uma dosagem diferente de coagulante, sendo que um é utilizado como controle (sem coagulante). Em seguida, a dosagem que apresentar melhor desempenho na coagulação é fixada e repete-se o experimento variando-se o pH, a fim de determinar o melhor pH de coagulação. Os resultados podem ser determinados através da eficiência de remoção, tanto para DQO quanto para turbidez, determinando-se o pH e a dosagem ótima. O par de valores, pH/concentração de eletrólitos, que melhor coagula o sistema coloidal, será aquele que apresentar a maior eficiência de remoção, medida através da DQO: n=[ (DQO% —(DQOX DQO onde b indica o despejo bruto e t o despejo tratado. No caso de se obter flocos de reduzida sedimentabilidade, o que elevaria sobremodo a área de captação do sedimentador, deve-se utilizar uma operação unitária para a separação sólido-líquido denominada de flotação, que será comentada em seguida. VI.2.3. Flotação O processo de flotação visa a remoção de particulas em suspensão e/ou flutuantes (fase dispersa) de um meio líquido (fase continua) para o caso em que a densidade da fase dispersa é menor que a da fase contínua. Trata-se de processo físico muito utilizado para a clarificação de efluentes e a consegiuente concentração de lodos, tendo como vantagem a necessidade reduzida de área e como desvantagem um custo operacional mais elevado devido à mecanização. A flotação deve ser aplicada principalmente para efluentes com altos teores de óleos e graxas e/ou detergentes, como os oriundos de indústrias petroquímicas, de pescado, frigoríficas, laticínios e de lavanderias. A flotação pode ser dividida em dois tipos: Flotação Espontânea e Flotação Estimulada, que por sua vez se divide em: Flotação por Ar Induzido (FAT) e Flotação por Ar Dissolvido (FAD). 48 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota concentração do material particulado; a quantidade de ar usado; a velocidade de ascensão da partícula; e a taxa de alimentação de sólidos. Ao invés de promover a separação óleo-água com base na diferença de densidade dessas substâncias pela ação da gravidade (g), os separadores centrifugos (também conhecidos como hidrociclones (Fig. VI.11)) geram acelerações dezenas de vezes maiores que a da gravidade. São equipamentos de pequenas dimensões, podendo ser empregadas várias unidades operando em paralelo para atender as necessidades da indústria. saída superior (sobrenadante) entrada tangencial pulverizador Apex saída inferior U MN TT (pulverização) Fig. VI. 11 — Separador centrifugo ou hidrociclone. VI.2.4. Precipitação química Os processos de coagulação/floculação, seguidos de sedimentação ou flotação, se aplicam à remoção de material insolúvel em suspensão, de origem orgânica e inorgânica. Já a precipitação quimica se aplica à remoção de material inorgânico dissolvido no efluente, em particular os metais pesados, presentes em elevados teores em efluentes de indústrias metalúrgicas, mecânicas e galvanoplastias. Nestas indústrias a remoção de metais é o alvo principal do tratamento. Em geral os metais são solubilizados em condições ácidas e precipitam em condições alcalinas. A precipitação de metais ocorre pela formação de hidróxidos metálicos, devendo ser verificada a curva de solubilidade dos metais (pH x solubilidade). A maior dificuldade é a precipitação concomitante de diversos metais, sem que as curvas de solubilidade apresentem coincidências entre as concentrações mínimas. Deve-se observar também se as concentrações mínimas obtidas pelo tratamento, quando a precipitação ocorre em um pH comum a diversos metais, são inferiores aos limites estabelecidos para lançamento nos corpos receptores ou na rede coletora. A precipitação de metais na forma de sulfetos é também muito eficiente, posto que sulfetos metálicos apresentam solubilidade muito baixa. No entanto, o processo exige cuidados, pois há risco de emissão de gás sulfidrico (H»S). 51 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Oxidação de cianetos Como os efluentes de algumas indústrias contêm, além de metais pesados, elementos tóxicos como o cianeto, faz-se necessária a oxidação desses íons, para destruir as ligações formadas entre os cianetos e os metais tóxicos a eles ligados. Deve-se ressaltar que se os metais estiverem complexados pelos cianetos, torna-se impossível a sua precipitação. Os metais mais comumente ligados ao cianeto são o zinco, o cobre, o níquel, a prata e o cádmio. A oxidação dos cianetos ocorre pela reação do íon hipoclorito em meio alcalino, com a formação do gás carbônico e nitrogênio. Os metais após a oxidação dos cianetos tornam-se insolúveis na forma de hidróxidos. O tempo da reação é de aproximadamente 1 h, e o pH deve ser superior a 11,5 para evitar a liberação de cloreto de cianogênio (CICN), gás extremamente tóxico. As reações típicas de oxidação são: NaCN + NaOCI —» NaOCN + NaCl 2 NaOCN + 3 NaOCI + H5O — 3 NaCl + 2 NaHCO; + N> Redução de cromo hexavalente A utilização de cromo hexavalente nos banhos de galvanoplastias e curtumes é a principal origem do cromo nos efluentes industriais. O cromo ainda é utilizado como componente de tintas anticorrosivas e em tratamento de águas para sistemas de resfriamento. O cromo na forma hexavalente é solúvel em pH ácido ou alcalino. Para que ocorra a sua remoção é necessário que o mesmo seja reduzido para a forma de cromo trivalente e precipitado como hidróxido. No caso do ion cromato, o Cromo +6 é reduzido para o estado de oxidação +3 pela ação do dióxido de enxofre ou compostos derivados (bissulfitos). A redução do cromo ocorre em pH ácido, inferior a 2,5. A velocidade da reação diminui rapidamente se o pH for superior a 3,5, estando as reações apresentadas a seguir: 2 HxCrO, + 3 SO, — CrSO4) + 2 HO 4 HaCrO, + 6 NaHSO; + 3 H5SO4 — 2 Cro(SO4)3 + 3 NaaS0O4 + 10 HO ou H,Cr,0; + 3 NaHSO; + 3 H,SO, — Cr(SO4)3 + 3 NaHSO, + 4 HO VI.3. Tratamento secundário - Processos biológicos O termo tratamento secundário engloba todos os processos biológicos de tratamento de efluentes, tanto os de natureza aeróbia quanto os de natureza anaeróbia, e visam essencialmente converter a matéria orgânica biodegradável dos efluentes em gases e sólidos inorgânicos (sulfatos, hidróxidos, etc..) e material biológico sedimentável, que 52 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota podem ser separados do efluente por sedimentação. Na maioria das vezes, esses processos são empregados em conjunto com processos fisicos e químicos utilizados no pré- tratamento e tratamento primário do efluente. Os seguintes processos se destacam nesta fase de tratamento: « lodos ativados e lagoas aeradas e lagoas de estabilização « filtros biológicos « digestores anaeróbios Estes e outros processos serão vistos com mais detalhamento mais adiante. Os processos de tratamento biológico têm como princípio utilizar a matéria orgânica dissolvida, coloidal e em suspensão (DBO carbonácea) como substrato para microrganismos como bactérias, fungos e protozoários, que a transformam em gases, água e novos microorganismos. Os microorganismos, através de mecanismos de produção de exopolímeros, formam flocos biológicos mais densos que a massa líquida, da qual separam-se com facilidade; ou formam filmes aderentes a superfícies sólidas. A capacidade de adesão e/ou floculação desses microrganismos serve de base para a classificação dos bioreatores. Assim, há os bioreatores com biomassa em suspensão (lodos ativados, lagoas aeradas) e aqueles com biomassa aderida a suportes — biomassa fixa (filtros biológicos, discos biológicos, leitos fludizados). Nos processos aeróbios, um consórcio de microrganismos (predominantemente bactérias aeróbias e facultativas) atua de forma a promover a degradação dos poluentes orgânicos, gerando CO», alguns produtos de metabolismo e novas células microbianas. A produção de novas células pode ser intensa, gerando um lodo biológico que deverá ser processado e ter um destino final. Nos processos anaeróbios, um consórcio microbiano (bactérias e archaeas) assegura a transformação dos poluentes, pelas vias hidrolítica e fermentativa, em compostos de um a dois átomos de carbono (CO», metano, acetato, formiato), além de hidrogênio. O processo gera um gás, que no caso de efluentes com alta DBO, contem alto teor de metano e CO». A produção de novas células é, neste processo, muito menor do que no processo aeróbio. Os processos biológicos também são empregados para a remoção de DBO nitrogenada. Numa primeira etapa, o nitrogênio amoniacal (presente no efluente ou formado no processo de degradação de matéria orgânica mitrogenada) é transformado em nitrato por um consórcio microbiano constituído principalmente por bactérias autotróficas aeróbias dos gêneros Nitrobacter e Nitrosomonas. Com isso, reduz-se a demanda de oxigênio e a toxicidade associada a teores mais elevados de amônia. O nitrato, resultante dessa transformação (nitrificação) contribui para acelerar o processo de eutrofização de sistemas aquáticos mais estagnados, como lagos e lagoas. Assim, numa segunda etapa, o nitrato é transformado em nitrogênio gasoso por bactérias heterotróficas aeróbias facultativas, sob condições anóxicas, ou seja, num meio sem oxigênio dissolvido (desnitrificação). Uma fonte de carbono deve ser fornecida a este consórcio microbiano. Portanto, a sequência convencional de tratamento para a remoção de DBO carbonácea e nitrogenada inclui: processo aeróbio ou anaeróbio (remoção de DBO carbonácea), seguido de processo aeróbio (nitrificação) e, caso a remoção de nitrato seja desejada, de um processo anóxico (desnitrificação). 53 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota As Tesinas sintéticas são obtidas através da polimerização de vários compostos orgânicos, sendo os mais usados os copolímeros de estireno e divinilbenzeno numa proporção de 80- 98% e 2-20%, respectivamente. Através de um processo de sulfonação da matriz (material resultante da polimerização ) obtemos as resinas catiônicas. Já as resinas aniônicas são, em sua maioria, obtidas por clorometilação e aminação. 2» 2+ 2+ Ex: resina catiônica - remove os cátions (Zn ,Ni ,Cu ,Mg ,etc.) 2+ + H-R+Cu « CuR+2H Ex: resina aniônica - remove os ânions (SO47, CrO4” , etc.) R(0H)) + SO «s R-S0,+2 0H” O sentido das reações de troca iônica depende principalmente da afinidade da resina pelos diversos íons em solução, o que é chamado de seletividade da resina. A seletividade depende de fatores externos como pressão e temperatura, mas está ligada principalmente à natureza e valência do íon, ao tipo de resina (macro ou gel), ao seu grau de saturação e a concentração iônica da solução aquosa. Em geral, a resina catiônica tem mas afinidade por cátions de maior valência e entre os de Ars : . . ns . > mesma valência, a resina tem maior afinidade por cátions maiores. Por exemplo: Ba” > Ca” > cu? > zm! > Mg” > NHgt > kt > Nat > Hf (seletividade em ordem decrescente). A seletividade nas resinas fortemente básicas (resina aniônica) será pelos ânions fortes (sulfato, cloreto, nitratos) sobre os fracos (carbonatos, bicarbonatos, silicatos), indicando que a retenção preferencial será dos ânios fortes em detrimento dos fracos, que poderão ser deslocados por aqueles. As resinas catiônicas são regeneradas com ácidos (H3SO4 ou HCI), enquanto as aniônicas são regeneradas com soda à quente. VI.4.5. Processos de separação com membranas São processos utilizados para a remoção de partículas de um solvente (filtração).*Utilizam- se da tecnologia de membranas semi-permeáveis, que funcionam como um filtro, deixando a água passar por seus poros, impedindo a passagem de sólidos dissolvidos. Em todos os processos de separação com membranas o transporte de uma dada espécie, através da membrana, ocorre devido a existência de uma força motriz. A força motriz para estes processos é o gradiente de pressão, sendo empregados para concentrar, fracionar e purificar suspensões e soluções diluídas ou dispersões coloidais. Quanto menor o poro da membrana, maior terá que ser a pressão exercida, logo maior o custo. A Figura VI.12 apresenta os vários tipos de processos com membranas empregados para remoção de microrganismos, molélulas de alto, médio e baixo peso molecular e até sais inorgânicos. 56 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Dimensões acni ã das Partículas Técnica de Separação e Moléculas (m) Filtração -5 | Microfiltração e , 10 + Célutas /Colóides 'ê Materiais em Suspensão “el. n ua 4 cl Wemembrana 10 o Sais de médio PM Macromoléculas irafiiiação) “o e Vírus o RA facromolécutas 4 10 “a 0%, We Membrana a Molécutas a Água Sais de médio PM Moléculas de 10 Nanofiltração médio PM E Moléculas A + 1. de médio PM “a, * do Wo membrana Agua sais tos Moléculas de Osmose Inversa baixo PM e et. fons o +* sais A 14 Átomos Wo Membrana Fig. V1.12 — Processos de separação com membranas. A microfiltração é o processo de separação com membranas mais próximo da filtração clássica. Utiliza membranas porosas com poros na faixa entre 0,1 e 10 um, sendo, portanto, processos indicados para a retenção de materiais em suspensão e em emulsão. Como as membranas de microfiltração são relativamente abertas, as pressões transmembrana empregadas como força motriz para o transporte são pequenas, não ultrapassando 3 bar. Na microfiltração o solvente e todo o material solúvel permeia a membrana. Apenas o material em suspensão é retido. A ultrafiltração é utilizada quando se deseja purificar e fracionar soluções contendo macromoléculas. As membranas de ultrafiltração apresentam poros na faixa entre 1 e 100 mm, portanto mais fechadas do que as membranas de microfiltração. Soluções contendo solutos numa ampla faixa de peso molecular (103 - 106 Daltons) podem ser tratadas por este processo. Como os poros das membranas de ultrafiltração são menores, é necessário uma maior força motriz para se obter fluxos permeados elevados o suficiente para que o processo possa ser utilizado industrialmente. Por este motivo, as diferenças de pressão transmembrana variam na faixa de 2 a 10 bar. Suas principais aplicações são a clarificação, concentração e fracionamento de solutos. A separação é eficiente quando existe pelo menos uma diferença de 10 vezes no tamanho das espécies. É largamente utilizada na indústria de alimentos, bebidas e laticínios, assim como em aplicações na biotecnologia e na área médica. A osmose inversa é usada quando se deseja reter solutos de baixo peso molecular como sais inorgânicos ou pequenas moléculas orgânicas como glicose. A diferença entre osmose inversa e ultrafiltração está no tamanho do soluto retido. As membranas de osmose inversa devem ser mais fechadas apresentando, portanto, uma maior resistência à permeação. Por este motivo, pressões mais elevadas do que as utilizadas na ultrafiltração são necessárias, da ordem de dezenas de bar. O nome osmose inversa se deve ao fato de que neste tipo de processo o fluxo permeado é no sentido contrário ao fluxo osmótico normal. 57 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota O desenvolvimento, relativamente recente, de novas gerações de membranas, resistentes à ampla faixa de pH, altas temperaturas e à presença de produtos cáusticos, além de fluxos permeados mais elevados, ampliou o campo de aplicação da osmose inversa. Assim, em adição à sua aplicação tradicional na dessalinização de águas salobras e do mar, a osmose inversa tem sido utilizada no tratamento de águas, na produção de água ultrapura, no tratamento de águas duras, na indústria alimentícia e em muitas outras aplicações. A osmose inversa pode também ser usada em combinação com outros processos clássicos de separação, nos chamados processos híbridos de separação, mais eficientes do que cada uma dessas técnicas isoladamente. Considerando-se a atual situação dos recursos hídricos e sua premente possibilidade de escassez, é fundamental o uso de tecnologias para o tratamento de efluentes que possibilitem a obtenção de efluentes tratados que atendam não apenas aos padrões de lançamento em corpos d'água, como também possam servir de água de reuso. Neste crescente processo de escassez de água, o preço desse bem finito tende a ficar cada vez mais alto, favorecendo o reuso da água, que tende a apresentar custo menos elevado. Na medida em que a cobrança pelo uso da água (prevista na Lei 9.433, de 08/01/97) tornar-se mais abrangente, o mercado de água de reuso também tenderá a crescer. Assim, a utilização das águas servidas para propósitos de uso não potável, como na agricultura, representa um potencial a ser explorado em substituição à utilização de água tratada e potável. Neste contexto, os processos com membranas seriam uma excelente alternativa, pois a membrana é barreira absoluta para material suspenso e microrganismos, gerando-se efluentes tratados de excelente qualidade, possibilitando o atendimento aos padrões mais restritivos e a abertura para reuso do efluente tratado. Os processos com membrana podem ser aplicados isoladamente (como tratamento terciário) ou associados a biorreatores (biorreatores de membrana - MBR). Os MBR combinam biológico (mais comum é o processo de Lodos Ativados) com unidade de filtração em membrana para separar o lodo do efluente, em substituição ao tanque sedimentador. Em geral, a membrana utilizada é uma membrana de microfiltração (MF) ou ultrafiltração (UF). Usados para tratamento de esgoto doméstico e efluentes industriais em situações ou regiões especificas, com pouca área disponível ou custo da terra elevado, escassez de água e/ou cuidadosa gestão de resíduos. No futuro, leis e padrões mais restritivos e estratégias de reuso de água devem aumentar o uso dos MBR. V1.4.6. Remoção de nutrientes Certamente, a eliminação de compostos orgânicos biodegradáveis, especificamente, compostos de carbono, constitui aspecto fundamental do tratamento biológico de efluentes. Porém, uma outra forma de poluição, que também deve ser eliminada, é causada pelos compostos contendo nitrogênio e fósforo. Os compostos nitrogenados (orgânicos e inorgânicos), lançados nos cursos receptores podem causar significativa demanda de oxigênio, além da amônia ser tóxica para diversas espécies aquáticas. A remoção de nutrientes, compostos de fósforo e nitrogênio, é um procedimento de utilização mundialmente crescente, face os problemas de eutrofização dos corpos receptores estagnados causada por efluentes parcialmente tratados. 58 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota ANAERQBIO AMOSIC FOME lh ZONEM hn DRIG ZONE idho CLARIFIER (2, hr + AIR INTERNAL REGYOLE RETURN AGTIVATED GLUDGE EXCEBE BLUDGE Fig. VL13- O processo AZO de remoção de nitrogênio e fósforo. VI.4.7. Oxidação química A separação física de sólidos suspensos e óleos e graxas e os tratamentos biológicos têm se mostrado sistemas extremamente confiáveis e econômicos na maioria dos casos (águas residuárias municipais, efluentes do processamento de alimentos, etc.). Existem, contudo, casos em que a eficiência destes tratamentos é bastante reduzida (substâncias solúveis na separação física, substâncias não biodegradáveis e/ou tóxicas nos processos biológicos). Neste último caso, comum em águas residuárias da indústria química, diferentes processos químicos, a maioria deles baseados em reações de oxi-redução, estão sendo aplicados. Processos como cloração, ozonização, irradiação com raios ultravioleta e processos baseados no ataque de radicais hidroxila têm sido investigados em busca de melhores eficiências na eliminação destas substâncias tóxicas. A maioria destes tratamentos têm se mostrado merecedores de destaque, atingindo bons resultados na destruição de poluentes. A maioria da pesquisa neste campo está dirigida para a mineralização dos poluentes (conversão da matéria orgânica em CO, e água), até mesmo empregando doses maciças de agentes oxidantes. A vantagem básica dos processos oxidativos está no fato de serem processos destrutivos, quando comparados com processos físicos, tais como precipitação e adsorção, que apenas transferem os poluentes de uma fase aquosa para uma segunda fase. Entretanto, em alguns casos a oxidação química pode ter tanto uma velocidade de reação lenta quanto uma baixa seletividade, acarretando necessidade de reatores de grandes dimensões ou aumentando o custo com oxidantes. Por sua vez, a oxidação biológica aeróbia é limitada quando a alimentação é recalcitrante à biodegradação, e/ou inibitória e tóxica à biocultura. Este é um caso típico em que a integração dos processos oxidativos com processos biológicos é conceitualmente vantajosa. Efluentes deste tipo poderão ser pré-tratados por oxidação, para produzir compostos biogênicos. 61 Escola de Química / UFRJ EQB-482 Engenharia do Meio Ambiente Notas de Aula — Tratamento de Efluentes Líquidos - Prof". Magali Christe Cammarota Nos processos de oxidação quimica, os mecanismos de reação mudam a estrutura e as propriedades químicas das substâncias orgânicas. As moléculas são quebradas em fragmentos menores e elevadas porcentagens de oxigênio aparecem nestas moléculas na forma de álcoois, ácidos carboxílicos, etc. que, na maioria dos casos, são mais facilmente biodegradáveis do que os compostos de origem. Esta é a idéia geral que faz com que alguns pesquisadores pensem numa combinação de um processo de oxidação química seguido de um biológico. Dentre os processos químicos empregados no tratamento de águas residuárias, a oxidação com H»0» já é comumente utilizada. Neste campo, vem se destacando o uso em conjunto de H,O, eions Fe” —o 1eagente de Fenton. Os radicais *OH produzidos na reação do H50+ com Fe?, reagem rapidamente com uma ampla variedade de substâncias orgânicas presentes em águas residuárias, tais como álcoois, éteres, corantes, clorofenóis, pesticidas, aromáticos policíclicos, etc. HO, + Fe?” —> «OH+0H' + Fe” A reatividade deste sistema foi primeiro observada em 1894 por seu inventor, H. J. H. Fenton, no entanto sua utilidade só foi reconhecida por volta de 1930 quando seus mecanismos foram identificados. Atualmente, o reagente de Fenton é empregado no tratamento de uma ampla gama de efluentes industriais que contêm uma variedade de compostos orgânicos tóxicos (fenóis, formaldeidos, BTEX, e resíduos complexos derivados de corantes, pesticidas, preservativos de madeiras, aditivos plásticos, etc.). O processo pode ser aplicado a águas residuárias, lodos ou solos contaminados. Capítulo VII - Processos biológicos aeróbios e anaeróbios Os processos biológicos podem ser classificados de acordo com três aspectos principais: o ambiente bioquímico, a natureza da transformação bioquímica e a configuração do reator. Quanto ao ambiente bioquímico, os sistemas podem ser aeróbios ou anaeróbios. Os aeróbios são aqueles em que o oxigênio dissolvido (O.D.) está presente em quantidade suficiente de modo a não limitar as taxas de reação. Neste caso, o oxigênio funciona como aceptor final de elétrons no metabolismo microbiano, participando, no término da cadeia respiratória, da reoxidação das moléculas transportadoras de elétrons e permitindo, desta forma, a geração das moléculas de ATP, de fundamental importância no armazenamento e transporte de energia para as reações de sintese. Já nos ambientes anaeróbios, o oxigênio não está presente (e não entra no sistema) ou sua concentração é tão baixa que limita o metabolismo aeróbio. Neste caso, os aceptores finais de elétrons são outras substâncias que não o O.D., tais como substâncias orgânicas (fermentação) ou substâncias inorgânicas (respiração anaeróbia). O ambiente bioquímico tem efeito direto sobre a ecologia da população microbiana. De modo que as operações aeróbias suportam cadeias alimentares inteiras, de bactérias até rotiferos. Enquanto as operações anaeróbias suportam populações predominantemente bacterianas. 62