Adaptado da 3ª edição, Encyclopaedia of Occupational Health and Safety.

As águas residuais são tratadas de forma a remover poluentes e a cumprir os limites estabelecidos por lei. Para o efeito, procura-se tornar os poluentes na água insolúveis sob a forma de sólidos (por exemplo, lamas), líquidos (por exemplo, óleo) ou gases (por exemplo, azoto) através da aplicação de tratamentos adequados. Técnicas bem conhecidas são então usadas para separar as águas residuais tratadas a serem devolvidas aos cursos de água naturais dos poluentes tornados insolúveis. Os gases são dispersos na atmosfera, enquanto os resíduos líquidos e sólidos (lodo, óleo, graxa) costumam ser digeridos antes de serem submetidos a tratamento posterior. Pode haver tratamentos de uma ou várias etapas de acordo com as características das águas residuais e com o grau de purificação requerido. O tratamento de águas residuais pode ser subdividido em processos físicos (primários), biológicos (secundários) e terciários.

Processos Físicos

Os vários processos de tratamento físico são projetados para remover poluentes insolúveis.

Triagem

O esgoto é feito passar por telas que retêm sólidos grosseiros que podem bloquear ou danificar os equipamentos da estação de tratamento (por exemplo, válvulas e bombas). As triagens são processadas de acordo com as situações locais.

Remoção de areia

A areia contida nas águas residuais deve ser removida, pois tende a se depositar nas tubulações devido à sua alta densidade e causar abrasão nos equipamentos (por exemplo, separadores centrífugos e turbinas). A areia é geralmente removida passando as águas residuais por um canal de seção transversal constante a uma velocidade de 15 a 30 cm/s. A areia se acumula no fundo do canal e pode ser usada, após lavagem para remover matéria putrescível, como material inerte, como na construção de estradas.

Remoção de óleo

Óleos e gorduras não emulsionáveis ​​devem ser removidos porque iriam aderir aos equipamentos das estações de tratamento (por exemplo, bacias e decantadores) e interferir no tratamento biológico subsequente. As partículas de óleo e gordura são coletadas na superfície, passando as águas residuais a uma velocidade apropriada através de tanques de seção transversal retangular; são retirados mecanicamente e podem ser usados ​​como combustível. Separadores multiplacas de design compacto e alta eficiência são freqüentemente usados ​​para remoção de óleo: o esgoto é feito para passar por cima através de pilhas de placas planas inclinadas; o óleo adere às superfícies inferiores das placas e se move para o topo onde é coletado. Com ambos os processos, a água sem óleo é descarregada no fundo.

Sedimentação, flotação e coagulação

Estes processos permitem a remoção dos sólidos das águas residuais, os pesados ​​(maiores que 0.4 μm de diâmetro) por sedimentação e os leves (menos de 0.4 μm) por flotação. Este tratamento também depende das diferenças de densidade dos sólidos e das águas residuais que passam por tanques de sedimentação e tanques de flutuação feitos de concreto ou aço. As partículas a separar acumulam-se no fundo ou na superfície, depositando-se ou subindo a velocidades proporcionais ao quadrado do raio das partículas e à diferença entre a densidade das partículas e a densidade aparente das águas residuais. Partículas coloidais (por exemplo, proteínas, látex e emulsões oleosas) com tamanhos de 0.4 a 0.001 μm não são separadas, pois esses colóides tornam-se hidratados e geralmente carregados negativamente pela adsorção de íons. Consequentemente, as partículas se repelem de modo que não podem coagular e se separar. Porém, se essas partículas forem “desestabilizadas”, elas coagulam formando flocos maiores que 4 μm, que podem ser separados como lodo em tanques convencionais de decantação ou flotação. A desestabilização é obtida por coagulação, ou seja, pela adição de 30 a 60 mg/l de um coagulante inorgânico (sulfato de alumínio, sulfato de ferro (II) ou cloreto de ferro (III)). O coagulante hidrolisa sob determinadas condições de pH (acidez) e forma íons metálicos polivalentes positivos, que neutralizam a carga negativa do colóide. A floculação (aglomeração de partículas coaguladas em flocos) é facilitada pela adição de 1 a 3 mg/l de polieletrólitos orgânicos (agentes de floculação), resultando em flocos de 0.3 a 1 μm de diâmetro que são mais fáceis de separar. Podem ser utilizados tanques de sedimentação do tipo fluxo horizontal; eles têm seção transversal retangular e fundos planos ou inclinados. A água residual entra por um dos lados da cabeceira e a água clarificada sai pela borda do lado oposto. Também podem ser usados ​​tanques de sedimentação de fluxo vertical que são de forma cilíndrica e têm um fundo como um cone circular reto invertido; a água residual entra no meio e a água clarificada sai do tanque pela borda superior recortada para ser coletada em um canal circunferencial externo. Com os dois tipos de tanque, o lodo se deposita no fundo e é conduzido (se necessário por meio de um dispositivo de enleiramento) para um coletor. A concentração de sólidos no lodo é de 2 a 10%, enquanto a da água clarificada é de 20 a 80 mg/l.

Os tanques de flotação são geralmente de forma cilíndrica e possuem difusores de ar de bolhas finas instalados em seus fundos, o esgoto entrando nos tanques no centro. As partículas aderem às bolhas, flutuam à superfície e são retiradas, enquanto a água clarificada é descarregada abaixo. No caso dos “tanques flutuantes de ar dissolvido” mais eficientes, a água residual é saturada com ar sob uma pressão de 2 a 5 bar e depois expandida no centro do tanque flutuante, onde as minúsculas bolhas resultantes da a descompressão faz com que as partículas flutuem para a superfície.

Em comparação com a sedimentação, a flotação produz um lodo mais espesso a uma velocidade de separação de partículas mais alta e, portanto, o equipamento necessário é menor. Por outro lado, o custo operacional e a concentração de sólidos na água clarificada são maiores.

Vários tanques dispostos em série são necessários para coagular e flocular um sistema coloidal. Um coagulante inorgânico e, se necessário, um ácido ou um álcali para corrigir o valor do pH são adicionados às águas residuais no primeiro tanque, que é equipado com um agitador. A suspensão é então passada para um segundo tanque equipado com um agitador de alta velocidade; aqui, o polieletrólito é adicionado e dissolvido em alguns minutos. O crescimento do bando ocorre em um terceiro tanque com agitador lento e é realizado por 10 a 15 minutos.

Processos Biológicos

Os processos de tratamento biológico removem poluentes orgânicos biodegradáveis ​​pelo uso de microrganismos. Esses organismos digerem o poluente por um processo aeróbico ou anaeróbio (com ou sem suprimento de oxigênio atmosférico) e o convertem em água, gases (dióxido de carbono e metano) e uma massa microbiana sólida insolúvel que pode ser separada da água tratada. Especialmente no caso de efluentes industriais, devem ser asseguradas as condições adequadas para o desenvolvimento de microrganismos: presença de compostos de nitrogênio e fósforo, traços de microelementos, ausência de substâncias tóxicas (metais pesados, etc.), temperatura e valor de pH ótimos. O tratamento biológico inclui processos aeróbicos e anaeróbicos.

Processos aeróbicos

Os processos aeróbicos são mais ou menos complexos de acordo com o espaço disponível, o grau de purificação requerido e a composição das águas residuais.

lagoas de estabilização

Estes são geralmente retangulares e de 3 a 4 m de profundidade. O esgoto entra em uma extremidade, é deixado por 10 a 60 dias e sai da lagoa em parte na extremidade oposta, em parte por evaporação e em parte por infiltração no solo. A eficiência de purificação varia de 10 a 90% de acordo com o tipo de efluente e a demanda residual de oxigênio biológico de 5 dias (BOD₅) (<40 mg/l). O oxigênio é fornecido da atmosfera por difusão através da superfície da água e de algas fotossintéticas. Os sólidos em suspensão nas águas residuais e os produzidos pela actividade microbiana depositam-se no fundo, onde são estabilizados por processos aeróbicos e/ou anaeróbicos consoante a profundidade das lagoas o que afecta a difusão tanto do oxigénio como da luz solar. A difusão de oxigênio é frequentemente acelerada por aeradores de superfície, que permitem reduzir o volume das lagoas.

Este tipo de tratamento é muito econômico se houver espaço disponível, mas requer solo argiloso para evitar a poluição das águas subterrâneas por efluentes tóxicos.

Lodo ativado

É utilizado para um tratamento acelerado realizado em tanques de concreto ou aço de 3 a 5 m de profundidade onde as águas residuais entram em contato com uma suspensão de microrganismos (2 a 10 g/l) que é oxigenada por meio de arejadores de superfície ou soprando no ar. Após 3 a 24 horas, a mistura de água tratada e micro-organismos é passada para um tanque de decantação onde o lodo formado por micro-organismos é separado da água. Os microrganismos são parcialmente devolvidos ao tanque aerado e parcialmente evacuados.

Existem vários tipos de processos de lodo ativado (por exemplo, sistemas de estabilização de contato e uso de oxigênio puro) que produzem eficiências de purificação superiores a 95%, mesmo para efluentes industriais, mas requerem controles precisos e alto consumo de energia para suprimento de oxigênio.

Filtros de percolação

Com esta técnica, os microrganismos não são mantidos em suspensão nas águas residuais, mas aderem à superfície de um material de enchimento sobre o qual o esgoto é pulverizado. O ar circula através do material e fornece o oxigênio necessário sem nenhum consumo de energia. De acordo com o tipo de efluente e para aumentar a eficiência, parte da água tratada é recirculada para o topo do leito filtrante.

Onde há terra disponível, materiais de enchimento de baixo custo de tamanho apropriado (por exemplo, brita, clínquer e calcário) são usados ​​e, devido ao peso do leito, o filtro de percolação é geralmente construído como um tanque de concreto de 1 m de altura geralmente afundado no chão. Se não houver terra suficiente, materiais de embalagem leves e mais caros, como mídia alveolar de plástico de alta taxa, com até 250 metros quadrados de área de superfície/metro cúbico de mídia, são empilhados em torres de percolação de até 10 m de altura.

As águas residuais são distribuídas sobre o leito filtrante por um mecanismo de aspersão móvel ou fixo e recolhidas no fundo para serem eventualmente recirculadas para o topo e serem passadas para um tanque de decantação onde as lamas formadas podem decantar. As aberturas na parte inferior do filtro de percolação permitem a circulação de ar através do leito do filtro. Eficiências de remoção de poluentes de 30 a 90% são alcançadas. Em muitos casos, vários filtros são dispostos em série. Essa técnica, que requer pouca energia e é fácil de operar, tem amplo uso e é recomendada para casos em que há disponibilidade de terra, por exemplo, em países em desenvolvimento.

biodiscos

Um conjunto de discos planos de plástico montados paralelamente em um eixo rotativo horizontal é parcialmente imerso nas águas residuais contidas em um tanque. Devido à rotação, o feltro biológico que cobre os discos é colocado em contato com os efluentes e o oxigênio atmosférico. O lodo biológico que sai dos biodiscos permanece em suspensão nas águas residuais, e o sistema atua como lodo ativado e tanque de decantação ao mesmo tempo. Os biodiscos são adequados para fábricas e comunidades industriais de pequeno a médio porte, ocupam pouco espaço, são fáceis de operar, requerem pouca energia e rendem eficiências de até 90%.

Processos anaeróbicos

Os processos anaeróbicos são realizados por dois grupos de microrganismos—bactérias hidrolíticas, que decompõem substâncias complexas (polissacarídeos, proteínas, lipídios, etc.) em ácido acético, hidrogênio, dióxido de carbono e água; e bactérias metanogênicas, que convertem essas substâncias em biomassa (que pode ser removida do esgoto tratado por sedimentação) e em biogás contendo 65 a 70% de metano, sendo o restante dióxido de carbono, e com alto poder calorífico.

Estes dois grupos de microrganismos, muito sensíveis a contaminantes tóxicos, agem simultaneamente na ausência de ar com um pH quase neutro, alguns necessitando de uma temperatura de 20 a 38^oC (bactérias mesófilas) e outras, mais delicadas, 60 a 65^oC (bactérias termofílicas). O processo é realizado em concreto mexido, fechado ou aço digestores, onde a temperatura necessária é mantida por termostatos. Típico é o processo de contato, onde o digestor é seguido por um tanque de decantação para separar o lodo, que é parcialmente recirculado para o digestor, da água tratada.

Os processos anaeróbicos não precisam de oxigênio nem de energia para fornecer oxigênio e produzir biogás, que pode ser usado como combustível (baixos custos operacionais). Por outro lado, são menos eficientes que os processos aeróbicos (BOD residual₅: 100 a 1,500 mg/l), são mais lentos e difíceis de controlar, mas permitem a destruição de microrganismos fecais e patogénicos. Eles são usados ​​para tratar resíduos fortes, como lodo de sedimentação de esgoto, lodo em excesso de lodo ativado ou tratamentos de filtro de percolação e efluentes industriais com DBO₅ até 30,000 mg/l (por exemplo, de destilarias, cervejarias, refinarias de açúcar, matadouros e fábricas de papel).

Processos Terciários

Os processos terciários mais complexos e mais caros utilizam reações químicas ou técnicas físico-químicas ou físicas específicas para remover poluentes não biodegradáveis ​​solúveis em água, tanto orgânicos (por exemplo, corantes e fenóis) quanto inorgânicos (por exemplo, cobre, mercúrio, níquel, fosfatos). , fluoretos, nitratos e cianetos), especialmente de águas residuais industriais, porque não podem ser removidos por outros tratamentos. O tratamento terciário permite também obter um elevado grau de purificação da água, podendo a água assim tratada ser utilizada como água potável ou para processos de fabrico (geração de vapor, sistemas de refrigeração, água de processo para fins particulares). Os processos terciários mais importantes são os seguintes.

Precipitação

A precipitação é realizada em reatores feitos de material apropriado e equipados com agitadores onde são adicionados reagentes químicos a temperatura e valor de pH controlados para converter o poluente em um produto insolúvel. O precipitado obtido na forma de lodo é separado por técnicas convencionais da água tratada. Nas águas residuais da indústria de fertilizantes, por exemplo, os fosfatos e os fluoretos tornam-se insolúveis pela reação com cal à temperatura ambiente e a um pH alcalino; cromo (indústria de curtumes), níquel e cobre (galvanoplastia) são precipitados como hidróxidos em um pH alcalino após terem sido reduzidos com m-disulfito a um pH de 3 ou inferior.

Oxidação química

O poluente orgânico é oxidado com reagentes em reatores semelhantes aos usados ​​para precipitação. A reação geralmente continua até que água e dióxido de carbono sejam obtidos como produtos finais. Os cianetos, por exemplo, são destruídos à temperatura ambiente pela adição de hipoclorito de sódio e hipoclorito de cálcio em pH alcalino, enquanto os corantes azo e antraquinona são decompostos por peróxido de hidrogênio e sulfato ferroso em pH 4.5. Efluentes coloridos da indústria química contendo 5 a 10% de matéria orgânica não biodegradável são oxidados a 200 a 300°C a alta pressão em reatores feitos de materiais especiais por sopro de ar e oxigênio no líquido (oxidação úmida); às vezes são usados ​​catalisadores. Os patógenos deixados no esgoto urbano após o tratamento são oxidados por cloração ou ozonização para tornar a água potável.

Absorção

Alguns poluentes (por exemplo, fenóis em águas residuais de fábricas de coque, corantes em água para fins industriais ou de consumo e surfactantes) são efetivamente removidos por absorção em pó de carvão ativado ou grânulos que são altamente porosos e têm uma grande área de superfície específica (de 1000 m²/g ou mais). O pó de carvão ativado é adicionado em quantidades dosadas às águas residuais em tanques agitados e, 30 a 60 minutos depois, o pó usado é removido como lodo. O carvão ativado granulado é utilizado em torres dispostas em série por onde passa a água poluída. O carbono gasto é regenerado nessas torres, ou seja, o poluente absorvido é removido por tratamento químico (por exemplo, fenóis são lavados com soda) ou por oxidação térmica (por exemplo, corantes).

Troca iônica

Certas substâncias naturais (por exemplo, zeólitas) ou compostos artificiais (por exemplo, Permutit e resinas) trocam, de maneira estequiométrica e reversível, os íons a eles ligados com aqueles contidos, mesmo fortemente diluídos, nas águas residuais. Cobre, cromo, níquel, nitratos e amônia, por exemplo, são removidos das águas residuais por percolação através de colunas preenchidas com resinas. Quando as resinas são gastas, elas são reativadas por lavagem com soluções regeneradoras. Os metais são assim recuperados em uma solução concentrada. Este tratamento, embora dispendioso, é eficaz e aconselhável nos casos em que é necessário um elevado grau de pureza (por exemplo, para águas residuais contaminadas por metais tóxicos).

Osmose Reversa, Nanofiltração, Ultrafiltração

Em casos especiais, é possível extrair água de alta pureza, própria para beber, de águas residuais diluídas, passando-as por membranas semipermeáveis. No lado das águas residuais da membrana, os poluentes (cloretos, sulfatos, fosfatos, corantes, certos metais) são deixados como soluções concentradas que devem ser descartadas ou tratadas para recuperação. As águas residuais diluídas são submetidas a pressões de até 50 bar em instalações especiais contendo membranas sintéticas feitas de acetato de celulose ou outros polímeros. O custo operacional deste processo é baixo e podem ser obtidas eficiências de separação superiores a 95%.

Tratamento de lodo

Tornar os poluentes insolúveis durante o tratamento de águas residuais resulta na produção de quantidades consideráveis ​​de lodo (20 a 30% da demanda química de oxigênio removida (COD) que é fortemente diluída (90 a 99% de água)). A disposição deste lodo de forma aceitável ao meio ambiente pressupõe tratamentos com custo de até 50% dos necessários para a purificação de águas residuais. Os tipos de tratamento dependem do destino das lamas, dependendo por sua vez das suas características e das situações locais. O lodo pode ser destinado a:

• fertilização ou despejo no mar se estiver substancialmente isento de substâncias tóxicas e contiver compostos de nitrogênio e fósforo (lodo de tratamento biológico), utilizando emissários fixos, caminhões ou barcaças

• aterro sanitário em fossas cavadas no solo, alternando camadas de lodo e solo. A impermeabilização das turfas é necessária se o lodo contiver substâncias tóxicas que possam ser eliminadas por precipitações atmosféricas. As fossas devem estar distantes dos estratos aquíferos. O lodo orgânico não estabilizado é geralmente misturado com 10 a 15% de cal para retardar a putrefação.

• incineração em fornos rotativos ou de leito fluidizado se o lodo for rico em substâncias orgânicas e isento de metais voláteis; se necessário, adiciona-se combustível e purifica-se o fumo emitido.

A lama é desidratada antes da sua eliminação para reduzir tanto o seu volume como o custo do seu tratamento, e é frequentemente estabilizada para evitar a sua putrefação e tornar inócuas quaisquer substâncias tóxicas que possa conter.

Desaguadora

O desaguamento inclui o espessamento prévio em espessadores, semelhantes aos tanques de decantação, onde o lodo é deixado por 12 a 24 horas e perde parte da água que se acumula na superfície, enquanto o lodo espessado é descarregado abaixo. As lamas espessadas são desidratadas, por exemplo, por separação centrífuga ou por filtração (sob vácuo ou pressão) com equipamentos convencionais, ou por exposição ao ar em camadas de 30 cm de espessura em leitos de secagem de lamas constituídos por lagoas rectangulares de betão, com cerca de 50 cm de profundidade, com fundo inclinado coberto por uma camada de areia para facilitar o escoamento da água. Lodos contendo substâncias coloidais devem ser previamente desestabilizados por coagulação e floculação, conforme técnicas já descritas.

Estabilização

A estabilização inclui digestão e desintoxicação. A digestão é um tratamento de longo prazo do lodo durante o qual ele perde de 30 a 50% de sua matéria orgânica, acompanhado de um aumento de seu teor de sais minerais. Este lodo não é mais putrescível, todos os patógenos são destruídos e a filtrabilidade é melhorada. A digestão pode ser do tipo aeróbico quando o lodo é aerado durante 8 a 15 dias à temperatura ambiente em tanques de concreto, sendo o processo semelhante ao tratamento por lodo ativado. Pode ser do tipo anaeróbio se o lodo for digerido em estações semelhantes às utilizadas para o tratamento anaeróbio de resíduos, a 35 a 40°C durante 30 a 40 dias, com produção de biogás. A digestão pode ser do tipo térmica quando a lama é tratada com ar quente a 200 a 250°C e a uma pressão superior a 100 bar durante 15 a 30 minutos (combustão húmida), ou quando é tratada, na ausência de ar, a 180°C e pressão autógena, por 30 a 45 minutos.

A desintoxicação torna o lodo inofensivo contendo metais (por exemplo, cromo, níquel e chumbo), que são solidificados por tratamento com silicato de sódio e convertidos autotermicamente nos silicatos insolúveis correspondentes.

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