Introdução aos métodos industriais de tratamento de águas residuais

A variedade de produtos químicos e materiais produzidos em fábricas industriais em todo o mundo cria vários problemas de tratamento de águas residuais. Os fluxos de resíduos podem conter qualquer número de compostos problemáticos e/ou tóxicos que devem ser removidos antes da descarga. Alguns dos possíveis métodos de tratamento são semelhantes aos que examinamos para tratamento de água de reposição, por exemplo, clarificação/filtração de meio, enquanto outras tecnologias surgiram recentemente como substitutos para métodos mais antigos e menos eficientes. 

Alguns fluxos de águas residuais, como purga da torre de resfriamento, podem ser descarregados diretamente em um corpo de água receptor, desde que a descarga atenda às regulamentações ambientais fundamentais. Por outro lado, as propriedades físicas e a química da fonte de água receptora podem influenciar muito os requisitos de descarga, o que pode, por sua vez, exigir um alto nível de tratamento em uma estação de águas residuais no local. Este capítulo examina questões emergentes de águas residuais e descreve técnicas modernas para o tratamento de águas residuais industriais.  

Índice

Introdução
Uma visão geral das impurezas de águas residuais proeminentes
Tratamento primário de águas residuais
Segundo estágio do tratamento primário
Métodos de tratamento de metais pesados
Remoção de selênio
Tratamento secundário de águas residuais
Tratamento terciário de efluentes
Descarga zero de líquido
Conclusão
Anexo 8-1

Uma visão geral das impurezas de águas residuais proeminentes

Esta seção analisa brevemente as principais impurezas que podem estar presentes nos fluxos de águas residuais. A discussão serve como precursor para o exame seguinte das técnicas de tratamento. 

Quando as diretrizes de descarga começaram a surgir com a aprovação da Lei de Água Limpa (1972) e o desenvolvimento das regulamentações do Sistema Nacional de Eliminação de Descarga de Poluentes (National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES), uma das primeiras metas regulatórias foi o efluente de água de resfriamento de usinas de energia de passagem única. Os quatro parâmetros primários foram sólidos suspensos, óleo e graxa, pH e biocida oxidante residual. Muitos outros contaminantes entraram em consideração regulatória desde então, e esses dados podem ser encontrados na Referência 1. As próximas seções fornecem uma visão geral das impurezas das águas residuais como base para a discussão do método de tratamento. 

Sólidos suspensos

Matéria particulada arrastada em água é conhecida como sólidos suspensos; o termo de relatório analítico é o total de sólidos suspensos (TSS). O controle de sólidos suspensos é importante para minimizar o acúmulo de lodo na descarga da planta e para evitar que materiais tóxicos arrastados sejam descarregados com os sólidos. O TSS pode ser um requisito de relatório e é um método para avaliar o desempenho de sistemas químicos de coagulação/floculação, sistemas de filtração e sistemas de tratamento de lodo ativado.

A EXPERIÊNCIA E A TECNOLOGIA DA CHEMTREAT MELHORAM OS PROCESSOS DE ÁGUAS RESIDUAIS E REDUZEM OS FINOS DE DESCARGA NA FÁBRICA DE PROCESSAMENTO DE CARNES

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Óleo e graxa

Óleo e graxa referem-se às gorduras, óleos, ceras e outros materiais relacionados encontrados em águas residuais. A análise de óleo e graxa (O&G) identifica esses poluentes que podem estar presentes na descarga de águas residuais. A redução de óleo e gordura é frequentemente necessária antes dos sistemas de tratamento de águas residuais biológicas, pois o excesso de O&G pode sujar o equipamento e reduzir a eficiência da absorção de oxigênio dos microrganismos do lodo ativado.  

As seções posteriores deste capítulo discutem as técnicas de desbaste de óleo e flutuação de ar dissolvido (DAF) para remoção de O&G.

pH

Muitos fluxos de águas residuais contêm compostos ácidos ou alcalinos (básicos). Estes podem prejudicar seriamente os organismos aquáticos. Uma faixa comum de pH de descarga de NPDES é de 6,0–9,0. (Algumas diretrizes locais ou regionais podem ter uma faixa ligeiramente diferente.)

Biocidas residuais

O Capítulo 7 forneceu detalhes sobre a alimentação de biocidas oxidantes e não oxidantes para o controle da incrustação microbiológica do sistema de resfriamento . A redução das concentrações de biocidas residuais na descarga da planta pode ser necessária para alguns sistemas de águas residuais.

Carbono orgânico

Nas refinarias, plantas petroquímicas e instalações relacionadas, os produtos químicos orgânicos frequentemente aparecem nos fluxos de águas residuais. Esses compostos podem variar de pequenas moléculas a grandes cadeias, e alguns podem ser diretamente tóxicos para criaturas aquáticas, animais e humanos. Além disso, orgânicos e O&G (e nutrientes como nitrogênio e fósforo) influenciam diretamente a demanda bioquímica de oxigênio (BOD) e a demanda química de oxigênio (COD) das águas receptoras.

O teste BOD₅ mede as cargas de poluentes orgânicos em águas residuais. De acordo com a Referência 2, o DBO “é comumente medido pela determinação da quantidade de oxigênio utilizada por organismos aquáticos adequados durante um período de cinco dias enquanto se decompõe poluentes orgânicos”. Os testes de BOD geralmente são necessários para efluentes de águas residuais industriais e municipais. Muitas fábricas industriais não têm pessoal ou equipamentos treinados para realizar análises de BOD₅ e devem enviar amostras para um laboratório certificado.

O teste COD emprega um oxidante químico forte, o dicromato de potássio, para oxidar matéria orgânica de todos os tipos. Normalmente, as análises de COD produzem uma leitura mais alta do que os resultados de BOD porque mais compostos são quimicamente oxidados do que biologicamente oxidados. As análises de COD podem ser realizadas em duas a três horas e são um parâmetro importante para monitorar o desempenho do tratamento de águas residuais. Empresas como Hach ,CHEMetrics e Cole Parmer oferecem equipamentos analíticos para realizar análises de amostras COD no local. 

Espécies de nitrogênio e fósforo 

Espécies de nitrogênio (principalmente amônia e nitrito/nitrato) e fósforo (como fosfatos) fornecem nutrientes primários aos micro-organismos e criam demanda de oxigênio no fluxo receptor se diretamente descarregadas para os corpos receptores de água. As flores de algas tóxicas tornaram-se um grande problema em muitas áreas do país e estão fortemente correlacionadas com descargas de nutrientes para águas receptoras. Fontes não pontuais (escoamento agrícola, etc.) fornecem uma parte significativa dos nutrientes finalmente descarregados nas águas receptoras, embora seja bastante difícil medir e gerenciar. Fontes pontuais (instalações industriais, obras de tratamento de propriedade pública, etc.) são normalmente mais fáceis de monitorar quanto a nitrogênio e fósforo e, portanto, são mais facilmente reguladas. 

Por outro lado, a amônia e o fósforo são nutrientes necessários para o tratamento de águas residuais de lodo ativado, e a alimentação direta desses nutrientes pode ser necessária para manter a proporção ideal de BOD:N:P e garantir uma operação confiável.

Testes analíticos simples estão disponíveis para medição desses compostos. 

Metais 

A descarga de metais pesados passou por um exame cada vez mais minucioso da EPA, das obras de tratamento de propriedade pública (public-owned treatment works, POTWs) e das agências reguladoras estaduais nas últimas décadas devido à toxicidade material-extrema de alguns elementos; sendo o mercúrio o mais conhecido. Os limites de descarga para muitos metais estão em uma faixa baixa de microgramas por litro (μg/l, equivalente a partes por bilhão) ou mesmo nanogramas por litro (ng/l, equivalente a partes por trilhão) para mercúrio. 

As indústrias mais responsáveis pela descarga de metais incluem: 

• Fabricantes de metais (aço, alumínio, cobre, etc.)
• Instalações de galvanização 
• Usinas de energia a carvão 
• Refinarias 
• Incineradores 
• Minas 

Os metais e metaloides mais comuns que podem entrar em fluxos de águas residuais, dependendo do processo ou processos industriais, são:

Tabela 1-1. Transição comum e metais pesados em fluxos de águas residuais

Os elementos podem existir nos estados dissolvido e particulado, com precipitação como um processo de remoção comum. Essa química é descrita em uma seção posterior. Agora, examinaremos os métodos de tratamento primários típicos para sólidos suspensos e remoção de O&G.

MONITORAMENTO DE METAIS DE DESCARGA DE PLANTAS INDUSTRIAIS E TOC

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Tratamento primário de águas residuais

Os métodos ideais de tratamento de águas residuais variam dependendo das impurezas dentro de um fluxo de águas residuais. No entanto, o tratamento primário é necessário para remover sólidos e O&G para muitas aplicações. Essas etapas muitas vezes reduzem o TOC, o BOD e o COD até certo ponto. Um esquema de tratamento comum é mostrado abaixo.

Figura 8.1. Um esquema comum de pré-tratamento de águas residuais.

Em algumas aplicações, os fluxos de resíduos podem passar por uma etapa de triagem preliminar (filtros rotativos, telas de barras, etc.) para remoção de contaminantes grandes antes do tratamento a jusante. Esta etapa é mais comum para a composição da água bruta, onde o afluente pode ter toras, lixo e outros detritos consideráveis.

A Figura 8.1 ilustra uma bacia de assentamento retangular com várias câmaras. A capacidade de tais unidades de remover partículas é determinada pela Lei de Stokes. Sólidos suspensos mais pesados, como areia e areia, se depositam facilmente sob a influência da gravidade, mas partículas menores podem permanecer em suspensão por longos períodos. Consequentemente, um clarificador primário pode ser necessário para a remoção de sólidos adicionais. Segue uma breve revisão dos fundamentos de esclarecimento. 

Figura 8.2. Um clarificador primário de águas residuais.

Neste desenho específico, a injeção coagulante no afluente clarificador neutraliza as cargas negativas típicas em sólidos suspensos. Essa água entra no corpo principal do clarificador, onde os sólidos floculados se depositam. A purga periódica do lodo é necessária para remover sólidos acumulados.

Muitos efluentes contêm alguma quantidade de O&G que pode sujar o equipamento a jusante. Várias técnicas bem estabelecidas estão disponíveis para reduzir as concentrações de O&G.

Remoção de óleo e graxa 

Muitas vezes, muito da O&G flutua livremente. Processos diretos estão disponíveis para remover este material, incluindo separadores da indústria de petróleo americana (American Petroleum Industry, API), interceptores de placas paralelas (PPI) e interceptores de placas corrugadas (CPI). Examinaremos os processos de API e PPI para ilustrar mecanismos fundamentais de remoção de óleo.

Separador API

Figura 8.3. Um separador de óleo/água API.

À medida que a água flui através do vaso, o óleo livre sobe e se move ao longo da superfície para um escumador rotativo. O óleo desnatado flui para um recipiente separado para descarte periódico, normalmente por uma empresa especializada que retira o resíduo oleoso do local. Sólidos mais pesados dentro do separador se depositam e se acumulam na parte inferior da unidade, onde um sistema raspador arrasta o material para um poço úmido para purga periódica.  

Em separadores de IBP, a água oleosa flui para cima através de placas corrugadas ou paralelas.

Figura 8.4. Esquema de um interceptor de placa paralela.

As placas melhoram a separação de óleo livre e sólidos suspensos. O óleo coalesce e sobe as superfícies da placa, enquanto os sólidos se aglomeram e se depositam no poço de lodo. Um problema potencial com separadores de placas é que os sólidos podem se acumular nas placas e reduzir a eficiência da unidade. A incrustação da placa pode exigir limpezas de manutenção regulares.

Como a separação óleo/água básica é um processo mecânico, o tratamento químico geralmente não é recomendado, pois as alterações químicas podem influenciar negativamente o desempenho.

Segundo estágio do tratamento primário

Flotação com ar dissolvido 

Frequentemente, uma etapa adicional é necessária para remover resíduos oleosos de águas residuais. A tecnologia de flutuação do ar fornece esse tratamento. O principal método e foco desta seção é a flotação de ar dissolvido (DAF), mas a tecnologia de flotação também inclui flotação de gás dissolvido (DGF), flotação de gás induzido (IGF) e, em menor extensão, flotação de ar suspenso (SAF). Dois projetos DAF comuns, as configurações de injeção de ar de reciclagem e injeção de ar de fluxo total, são mostrados abaixo.

Figura 8.5.a. DAF com injeção de ar na linha de reciclagem.

Figura 8.5.b. DAF com injeção de ar na linha de afluente.

O ar injetado gera muitas bolhas pequenas que se fixam a partículas emulsificadas e pequenos sólidos suspensos, fazendo com que flutuem para a superfície. A partir daí, os sólidos são coletados para descarte. Segue um breve exame dos componentes individuais de uma unidade DAF.

Adição de coagulante/floculante

O tratamento com coagulante/floculante do afluente DAF é comum para produzir partículas moderadamente maiores que atraem mais facilmente microbolhas. A alimentação química deve ser cuidadosamente monitorada e controlada para produzir o tamanho ideal do floco, pois flocos grandes (>100 μm) podem ser prejudiciais. 

COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO, SÉRIE TÉCNICA BÁSICA DE 10-MINUTE

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Câmara de flutuação 

A câmara de flutuação DAF pode ser circular ou retangular. Em ambos os casos, a câmara é equipada com duas zonas funcionais: a zona de reação e a zona de clarificação. A zona de reação fornece condições para as partículas suspensas entrarem em contato e aderirem a bolhas de ar. A zona de clarificação fornece condições quiescentes para os aglomerados de ar/partícula subirem até a superfície. Alguns DAFs são projetados com placas inclinadas para melhorar a separação de sólidos. 

Reciclar vs. Injeção de ar de fluxo total

As unidades DAF têm uma linha de reciclagem, cujo fluxo, dependendo do projeto do sistema, pode variar de 30% a quase máximo. A maioria dos designs tem injeção de ar no ciclo de reciclagem. A faixa típica de pressão do fluxo de reciclagem é de 30 a 90 psig, de modo que o fluxo libera bolhas de ar quando entra no vaso DAF. As bolhas ascendentes frequentemente exibem um efeito de “água branca” que é claramente visível na superfície. A flutuação cria uma camada superficial de sólidos oleosos que se concentra e engrossa à medida que flui pelo comprimento da câmara.  

Os sistemas de pressurização de fluxo total têm injeção de ar na entrada DAF. Esse projeto limita a pressão de alimentação a aproximadamente 50 psig, o que reduz a quantidade de ar que entra na solução (em comparação com a configuração de reciclagem). Uma preocupação potencial é que a pressurização de fluxo total cria condições turbulentas na célula de flutuação que, em sistemas com alimentação coagulante/floculante, podem danificar os flocos. 

Mecanismos de injeção de ar 

O sistema de injeção de ar ou saturação de ar deve ser projetado para fornecer a quantidade necessária de ar na forma (tamanho da bolha) necessária, de modo que uma quantidade mínima de fluxo de reciclagem seja necessária. Uma configuração comum, conhecida como saturação de ar de extremidade aberta, é mostrada abaixo. A saturação de ar de extremidade aberta inclui sucção de ar atmosférica e uma bomba de reciclagem configurada para lidar com água com ar arrastado. Este projeto opera a uma pressão mais baixa do que os sistemas de saturação de ar sem saída. 

Figura 8.6. Injeção de ar no fluxo de reciclagem.

As válvulas de alívio minimizam o acúmulo de pressão.

Saturação de ar terminal 

Uma variação do projeto acima é a saturação de ar sem saída. Nesses sistemas, o ar comprimido é injetado em um vaso de pressão para formar um assento pneumático. Com o tempo, o ar se dissolve na água circulante. Esse design é comum para o tratamento de água industrial e gera microbolhas menores em uma quantidade maior do que os sistemas de saturação de extremidade aberta. 

Detalhes adicionais de projeto e operação DAF

Tamanho da bolha e relação ar-sólidos 

A experiência indica que as condições ideais para a separação líquido/sólido ocorrem com diâmetros de microbolhas dentro de um intervalo de 10 a 100 mícrons, com a maioria das bolhas variando entre 40 a 80 μm. A sequência de contato gás/sólido pode ocorrer por adsorção, adesão, aprisionamento, interceptação e inércia. A relação ar-sólido (A:S) é a relação ar arrastado versus a massa de sólidos suspensos que entra na câmara de flotação. As razões A:S são influenciadas pelas características de impureza (densidade TSS) e pelo método de tratamento químico. As razões A:S típicas estão entre:  

• Baixo = 0,01 libra/dia de ar:1 libra/dia de TSS 
• Alta = 0,40 libra/dia de ar:1 libra/dia de TSS

Um metro cúbico de ar em temperatura e pressão padrão pesa aproximadamente 0,0807 lbs.

Taxa de reciclagem 

A taxa de reciclagem depende da solubilidade do ar e da concentração de sólidos no fluxo de resíduos; a taxa de reciclagem pode variar de 10 a 100% do fluxo de afluentes. A eficiência da saturação de ar é melhor em taxas de reciclagem mais baixas. Como regra geral, a taxa de reciclagem é proporcional ao TSS. Para um TSS afluente de 1.000 ppm, uma faixa de reciclagem ideal pode ser de 30 a 50%. Em TSS de 2.000 ppm, a taxa de reciclagem pode ser de até 100%.

Carga típica – Esclarecimento DAF 

• Carga superficial DAF convencional:
  • Entre 1,5 e 7,5 gpm/pé², pode ser de até 16 gpm/pé². Mais comumente, é inferior a 5 gpm/pé²
  • Carga de sólidos entre 0,30 e 2,0 lb/pé²·h 

Temperatura 

A temperatura da água influencia as reações de viscosidade e coagulação. Água de alta temperatura pode ser problemática em algumas aplicações de tratamento, como aquelas para renderização e refino. Assim como ocorre com outros parâmetros físicos e químicos, a temperatura deve ser considerada durante o projeto do projeto.

Rakes inferiores 

Sólidos pesados se depositam no frasco da câmara de flutuação e devem ser removidos periodicamente. O DAF tem descamadores inferiores ou ancinhos para remover sólidos da célula de flutuação. Os sólidos são dispostos em outro lugar. 

Escamadores de superfície  

O item principal final é o descascador de superfície, que remove detritos flutuantes. O sistema mais comum é um transportador de voo acionado por corrente com pás e um mecanismo de acionamento operado por temporizador de velocidade variável. O design de velocidade variável permite um controle aprimorado da espessura da camada flutuante e do TSS do efluente. 

A camada flutuante permanecerá estável por períodos relativamente longos sem afetar a turbidez do efluente DAF. O gráfico abaixo descreve a turbidez da água tratada e a espessura da camada de lodo em função do tempo.

Figura 8.7. Turbidez do efluente DAF em função do tempo e da espessura da camada de lodo.

A espessura adequada da manta de lodo é uma função das recomendações do fabricante, da natureza dos sólidos, da taxa de fluxo e dos resultados desejados. A saída pode ser limitada pelos recursos do sistema de manuseio de lodo.

Métodos de tratamento de metais pesados

Uma seção introdutória deste capítulo enfatizou os limites muito baixos para concentrações de descarga de metais. O método comum para remoção de metais pesados é a precipitação, seja como hidróxido ou sulfeto. 

Vários compostos alcalinos estão disponíveis para precipitação de hidróxido. Estes incluem cal (Ca(OH)₂), soda cáustica (NaOH), carbonato de sódio (Na₂CO₃) e hidróxido de magnésio (Mg(OH)₂). 

As vantagens da precipitação de hidróxido incluem:

• Facilidade de automação
• Baixo custo
• O processo não utiliza ou gera compostos altamente tóxicos, em comparação com a precipitação de sulfeto, embora cáusticos e cal devam ser manuseados com cuidado.

Existem algumas desvantagens, incluindo:

• Dificuldade de remover vários metais por solubilidades variáveis em função do pH. (Isso é ilustrado na próxima figura.)
• Pode ser ineficaz em metais complexos, ou seja, metais ligados a agentes quelantes naturais ou artificiais.
• Alto volume de lodo
• Os metais lixiviam mais facilmente dos precipitados de hidróxido do que os precipitados de sulfeto. 

O gráfico a seguir mostra o pH ideal para precipitação de hidróxido de muitos dos metais listados na Tabela 1-1.

Figura 8.8. Influência do pH na precipitação de metais.

O exame detalhado deste gráfico revela vários detalhes importantes. Primeiro, o pH para solubilidade mínima de cada metal cobre uma ampla faixa. Em segundo lugar, alguns metais e, mais notavelmente, cromo, zinco e chumbo são anfotéricos, o que significa que a solubilidade aumenta em pH baixo e alto, com um ponto ideal entre eles. (Cobre e cádmio também exibem propriedades anfotéricas, que não são mostradas no gráfico.) Em terceiro lugar, a precipitação de hidróxido é muito mais eficaz para alguns metais do que para outros. Por exemplo, compare níquel e cádmio com chumbo, observando que este é um gráfico semilogarítmico.

Uma resposta para algumas das preocupações de precipitação de hidróxido (com ressalvas) é a precipitação de sulfeto, conforme descrito na Figura 8.9.

Figura 8.9. Uma comparação de solubilidades de sulfeto vs. hidróxido para vários metais pesados.

O sulfeto forma compostos altamente insolúveis com muitos metais e, embora não mostrado na Figura 8.9, o sulfeto mercúrico (HgS) é o menos solúvel de todos os precipitados. Em muitos casos, a ligação metal-sulfeto é tão forte que a reação extrairá até mesmo metais quelados. 

No passado, sódio inorgânico e sulfetos ferrosos eram os compostos comuns para gerar precipitados em um clarificador ou recipiente de reação. No entanto, essa química não está sem problemas. Alguns sulfetos inorgânicos são bastante tóxicos e devem ser manuseados com extremo cuidado. Resíduos de sulfeto em excesso no lodo do clarificador podem conferir características perigosas. E, se o pH cair abaixo de 8 no processo de tratamento, o ácido sulfídrico fétido pode evoluir. Finalmente, a reação sulfeto-metal pode ser tão rápida, por exemplo, com mercúrio, que os precipitados de tamanho fino podem escapar com o efluente clarificador.

Uma resposta para esses problemas veio com o desenvolvimento de polímeros floculantes que contêm grupos sulfetos.

Figura 8.10. Esquema de uma cadeia de polímero com grupos sulfetos.

Os polímeros são não tóxicos, se ligam fortemente a metais e saem do clarificador com outros lodos. Um dos primeiros usos para esses compostos foi a remoção de mercúrio de fluxos de resíduos de dessulfurização de gás de combustão úmida (WFGD) em usinas de energia a carvão.

Remoção de selênio 

Outro elemento problemático é o selênio . O selênio é um não-metal que é um nutriente essencial para humanos em concentrações muito pequenas, mas, estando diretamente abaixo do enxofre na tabela periódica, pode causar preocupações de saúde animal e humana se substituir o enxofre em algumas vias metabólicas. O selênio não sofre reações de precipitação como mostrado na seção anterior. O elemento pode existir em quatro estados de oxidação diferentes: -2, 0, +4 e +6. Assim como o enxofre, ele se liga prontamente ao oxigênio, com os ânions comuns sendo selenita (SeO₃^2-) e selenato (SeO₄^2-). Selenita é solúvel em água, mas tem uma forte afinidade de adsorção ao solo que reduz muito a mobilidade. Selênio elementar (Se⁰) existe na forma cristalina e é geralmente incorporado em partículas de solo. O selenídeo (Se^2-) pode ocorrer como selenídeos metálicos (semelhantes aos sulfetos metálicos), que tendem a ser depositados nos sedimentos inferiores dos corpos d'água, ou como compostos orgânicos (principalmente como dimetilselenídeo). 

Um método potencial para o controle do selênio é o tratamento em pântano. Os pântanos atuam como um biofiltro para remover matéria orgânica, patógenos, metais e nutrientes, como nitrogênio e fósforo. Águas residuais que já receberam tratamento biológico primário e secundário podem ser um bom candidato para o condicionamento de pântanos, pois as cargas mais baixas de poluentes aumentam a viabilidade do tratamento. No entanto, essa tecnologia oferece várias desvantagens, incluindo a grande pegada, um duto potencialmente longo para um pântano natural ou artificial, custos, questões de permissão ambiental, etc.

Até agora, a melhor tecnologia disponível (BAT) da EPA para remoção de selênio é a adsorção de selenita e selenato em um substrato orgânico, onde os micro-organismos convertem os compostos em selênio elementar retidos pelos micróbios. Periodicamente, o substrato deve ser removido e substituído por material fresco. A instalação e a operação desses sistemas incorrem em custos operacionais e de capital consideráveis. 

Alternativas não biológicas, como osmose reversa (OR), nanofiltração (NF) e troca iônica, são proibitivas em termos de custo, mas a tecnologia ChemTreat SeQuester^® oferece uma alternativa de precipitação especializada e físico-química. O equipamento pode ser adaptado aos sistemas existentes.

Figura 8.11. Esquema geral, processo de remoção de selênio da ChemTreat.

O aspecto físico/químico da tecnologia permite um ajuste direto, conforme ditado pelas flutuações do fluxo do processo. A química remove efetivamente o selênio e, também, captura outros metais e metaloides, incluindo arsênico, mercúrio e molibdênio. Os precipitados saem em sistemas clarificadores a jusante que incluem uma prensa de filtro para desidratação de lodo. Dados de testes de Procedimento de Lixiviação de Característica de Toxicidade (TCLP) demonstraram que o lodo desidratado é bastante estável e pode ser depositado como resíduo não perigoso.

UM PROCESSO NÃO BIOLÓGICO PARA REMOÇÃO DE SELÊNIO DE ÁGUA RESIDUAL INDUSTRIAL

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Tratamento secundário de águas residuais

Muitos processos industriais geram águas residuais com conteúdo orgânico significativo. Exemplos incluem açúcar, papel, produtos farmacêuticos, solventes, produtos petroquímicos, produtos brutos, intermediários e acabados de refinaria e outros. Muitos desses compostos são diretamente tóxicos para organismos aquáticos ou podem esgotar a concentração de oxigênio no corpo d'água receptor. 

Processos naturais de tratamento microbiológico têm sido utilizados há décadas para tratar orgânicos em fluxos de águas residuais em instalações municipais e industriais. As próximas seções examinam várias tecnologias maduras e as comparam com métodos de tratamento modernos, que evoluíram para fornecer alta eficiência com uma pequena pegada.

O processo biológico fundamental 

O tratamento de águas residuais biológicas emprega microrganismos naturais, principalmente bactérias, para converter material orgânico em bactérias adicionais, dióxido de carbono e água. 

Carbono orgânico + nutrientes + bactérias + oxigênio → CO2 + H2O + mais bactérias

Geralmente, alguma fração do carbono orgânico é oxidada em dióxido de carbono, enquanto a fração restante é convertida em novas bactérias. Normalmente, 1 libra de DBO gera aproximadamente 1/2 libra de sólidos bacterianos. Em alguns casos, como as bactérias são naturais e não perigosas para a saúde humana, elas podem ser descartadas em aterros sanitários ou fornecidas como fertilizantes para vegetação não comestível.

As bactérias do tratamento de águas residuais exigem alimentos, nitrogênio (principalmente como amônia) e fósforo (principalmente como ortofosfato), geralmente na proporção de 100:5:1 C:N:P, para prosperar. Muitas águas residuais, e especialmente suprimentos municipais, têm nitrogênio e fósforo suficientes. Em outros, o nitrogênio suplementar na forma de amônia aquosa ou ureia pode atender aos requisitos de nitrogênio. O ácido fosfórico é um aditivo comum para o fósforo suplementar. 

Sistemas de tratamento de águas residuais biológicas 

Nos anos anteriores, sistemas de crescimento anexados, como filtros de gotejamento, eram populares para o tratamento de águas residuais. Agora, surgiram tecnologias mais modernas, como biorreatores de membrana. Para entender melhor esses sistemas, é útil primeiro examinar o conhecido processo de lodo ativado.

Tratamento de águas residuais de lodo ativado

O tratamento de lodo ativado talvez seja o sistema biológico de crescimento suspenso mais comum. Um diagrama simplificado é mostrado abaixo.

Figura 8.12. Esquema do processo de lodo ativado.

Os efluentes entram na câmara de aeração, onde as bactérias consomem o material orgânico e os nutrientes. As câmaras de aeração são tipicamente vasos longos e retangulares com o afluente em uma extremidade e o efluente na extremidade oposta. Geralmente, grandes volumes de design fornecem tempo de retenção suficiente para que a bactéria seja eficaz. As bacias são normalmente equipadas com vários aeradores estrategicamente colocados para distribuir oxigênio e fornecer mistura por toda a câmara. 

A clarificação da pasta bacteriana/de água, conhecida como “lixívia mista”, produz um lodo bacteriano e um efluente transparente. O lodo ativado reciclado (RAS) retorna a maior parte do lodo para o recipiente de aeração para reabastecer as bactérias. O fluxo de resíduos de lodo ativado (WAS) é necessário para a purga do sistema. Geralmente, a taxa de fluxo WAS é ajustada para corresponder à taxa de reprodução bacteriana, enquanto as taxas RAS são normalmente mantidas constantes com base em alguma fração da taxa de fluxo de entrada. 

As medições e instrumentação importantes do controle do processo do clarificador incluem:

• Medidor de fluxo de entrada para detectar e responder a surtos
• Medidores de vazão RAS e WAS para monitorar as taxas de reciclagem e desperdício, em parte para determinar o tempo de residência na bacia
• Turbidez de entrada e saída
• Alcalinidade do processo, pH, oxigênio dissolvido (D.O.), BOD₅, nitrogênio e fósforo
• Nitrogênio e fósforo influentes e efluentes
• Razão de sólidos em pasta fluida V/V_o (Normal é um tempo de assentamento de 30 minutos)
• Índice de volume de lodo (SVI) (Normal é um tempo de assentamento de 30 minutos)
• Medições manuais ou eletrônicas da profundidade do lodo

A concentração ideal de D.O. da bacia de aeração é de 2 a 4 mg/L. Os operadores podem sequenciar arejadores de superfície ou aumentar ou diminuir a velocidade do soprador para manter essa faixa. Falhas do arejador devem ser reparadas imediatamente, pois a perda de ar pode permitir o desenvolvimento de zonas sépticas. Os microrganismos se desenvolvem dentro de uma janela de pH relativamente estreita, com uma faixa comum de 6,5–8,5. As medições de alcalinidade, nitrogênio e fósforo são importantes para garantir que os organismos recebam os alimentos e nutrientes adequados e também são importantes para rastrear as concentrações de efluentes. As diretrizes típicas de descarga de nutrientes são <0,5 mg/L, embora possam ser menores, especialmente se a descarga for para um corpo de água receptor designado como “comprometido” devido a problemas anteriores de química da água.

O controle de fluxo WAS é importante para ajudar a estabelecer e manter a concentração bacteriana desejada. O ajuste de tentativa e erro geralmente é necessário, pois cada sistema é único. Os cálculos de alteração de fluxo exigem as seguintes análises diárias.

• Sólidos suspensos de licor misto (MLSS). Um volume conhecido de amostra é filtrado e seco, com medição do aumento do peso do filtro resultante.
• Sólidos suspensos voláteis com licor misto (MLVSS). Os sólidos do teste MLSS são colocados em um forno de alta temperatura. Os compostos de carbono, principalmente bactérias, volatilizam. A proporção de sólidos restantes vs. MLSS permite o cálculo do conteúdo microbiano. 

O balanceamento de fluxo RAS/WAS integrado também é importante. Os operadores da fábrica devem manter um equilíbrio de sólidos dentro do sistema para minimizar a formação de zonas sépticas, mas não tão pesadas em RAS que impeçam o WAS de sólidos suspensos suficientes para manipulação e desidratação de lodo a jusante.

Digestão de lodo 

Vários métodos são possíveis para o tratamento e descarte de resíduos de lodo. Em fábricas em locais rurais, pode ser possível aplicar diretamente o lodo em campos não cultiváveis. Mais comum é a digestão do lodo para reduzir o volume, seguida pela secagem do lodo. Os processos de digestão de lodo aeróbico e anaeróbico estão disponíveis.

Digestão aeróbica 

O WAS é transferido para um tanque aerado com misturadores. A diminuição do suprimento de alimentos induz a morte de algumas bactérias. À medida que as bactérias mortas se decompõem, as bactérias restantes consomem o carbono. O processo reduz o volume de lodo e estabiliza o material, facilitando a desidratação. 

Digestão anaeróbica 

O WAS é transferido para um tanque vedado com controle preciso de temperatura e pH. Na ausência de oxigênio, as bactérias fermentam e diminuem muito o volume. O processo libera sulfeto de hidrogênio (H₂S) e metano (CH₄). Algumas fábricas queimam esses gases, mas outras lavam o H₂S e usam o metano para o acionamento de caldeiras ou como combustível para outros equipamentos.

Figura 8.13. Esquema de um digestor anaeróbico.

O vazamento de gás de um digestor anaeróbico frequentemente gera queixas públicas sobre o odor de “ovo podre”. A digestão aeróbica é um processo relativamente simples e perdoável, mas não produz subprodutos utilizáveis, enquanto a digestão anaeróbica é mais difícil de manter e operar, mas pode gerar energia valiosa. As tecnologias de tratamento foram desenvolvidas para remover o sulfeto de hidrogênio de alguns fluxos de processo e aliviar odores.  

Sistemas de tratamento de crescimento anexados 

O tratamento biológico de crescimento anexado é bem conhecido e existe há décadas. Esses sistemas contêm material fixo interno ao qual as bactérias aderem para formar um biofilme. À medida que a água flui sobre o biofilme, as bactérias consomem os orgânicos. Assim como ocorre com o lodo ativado, as bactérias mortas são removidas do efluente por sedimentação e filtração. Um projeto inicial foi o método de “filtro de truque”. As tecnologias mais modernas incluem:

• Filtro biológico aerado (BAF)
• Contator biológico rotativo (RBC)
• Biorreator de membrana (MBR)
  • Tradicionalmente, os MBRs são considerados sistemas de processo de crescimento suspenso. No entanto, os sistemas de MBR mais novos podem incluir componentes de crescimento anexados que podem resultar na classificação como um sistema de crescimento anexado.   
• Biorreator de leito móvel (MBBR)

Examinaremos essas tecnologias mais recentes seguindo uma breve visão geral do design da cama de gotejamento.

Figura 8.14. Esquema do filtro do leito de empuxo.

Um filtro de gotejamento é simplesmente um tanque cheio com cascalho ou meio plástico frouxamente embalado, onde a água residual bruta é pulverizada uniformemente sobre a cama e deixada gotejar através de um sistema de coleta na parte inferior. A maioria dos projetos inclui orifícios de ventilação ou ranhuras cortadas na lateral do tanque, com o ar aspirado por convecção natural para fluir contracorrentemente para o efluente. Setenta e cinco por cento de redução de BOD₅ é comum com um filtro de gotejamento.

Filtro Biologicamente Aerado (BAF) 

Os dois tipos de estilos BAF, fluxo ascendente e fluxo descendente, estão descritos na Figura 8.15.

Figura 8.15a e b. Esquema geral de BAFs de fluxo ascendente e descendente.

Em ambos os sistemas, a água passa através de meios de poliestireno ou materiais naturais (argila, xisto ou pedra), dispostos em células. As células podem ser removidas de serviço ou reiniciadas para acomodar volumes de fluxo variados e qualidade da água afluente. Embora o meio forneça alguma filtração para partículas grandes, a filtração primária e a redução de impurezas (carbono orgânico e amônia) vêm dos micro-organismos ligados ao meio. O ar é injetado na parte inferior da unidade para fornecer oxigênio suficiente. Como a Figura 8.15 indica, em projetos de fluxo ascendente, o ar e a água residual viajam simultaneamente, enquanto na configuração de fluxo descendente, o fluxo é contracorrente. Cada um oferece suas próprias vantagens. As unidades de fluxo ascendente podem lidar com taxas de fluxo de afluentes mais altas do que os projetos de fluxo descendente e não tendem a formar bolsas de ar, pois a água varre o ar na direção em que deseja viajar naturalmente. Os tempos de execução são mais longos neste design. A descarga de ar está na extremidade tratada do recipiente e, portanto, tem uma concentração reduzida de compostos voláteis odoríferos.

Em BAFs de fluxo descendente, bactérias nitrificantes nas seções inferiores do filtro têm um forte suprimento de oxigênio para converter amônia em nitratos. As células podem ser retrolavadas e lavadas completamente durante a operação regular, e utilizam uma combinação de aumento do fluxo de água e purificação de ar durante a retrolavagem para soltar e lavar detritos do recipiente.

Uma vantagem da tecnologia BAF em relação ao tratamento secundário convencional é uma pegada muito menor. Isso é verdadeiro em relação aos outros métodos descritos nas próximas seções. Além disso, as unidades BAF podem lidar com amplas variações no fluxo de água e temperatura. Sistemas automatizados reduzem os requisitos de mão de obra para operação e manutenção, mas os operadores devem ser totalmente treinados em todos os aspectos do sistema de controle.

Em alguns casos, o efluente BAF tem qualidade suficiente para ser imediatamente descarregado, enquanto que, às vezes, pode ser necessário tratamento adicional por filtros de disco ou um clarificador.

Contator biológico rotativo (RBC) 

Em um RBC, o meio consiste em muitos discos corrugados de plástico e estreitamente espaçados alinhados uniformemente ao longo de um eixo central. Os discos giram lentamente através de uma cuba de águas residuais, permitindo que as bactérias sejam submersas por aproximadamente metade do período de rotação. À medida que as bactérias giram para fora das águas residuais, elas são expostas ao ar e captam o oxigênio necessário para metabolizar o material orgânico. Como no caso de um filtro de gotejamento, a redução de aproximadamente 75% do BOD₅ é alcançável.  

Figura 8.16. Esquema de eritrócitos.

As hemácias têm uma pequena área ocupada e oferecem baixo custo inicial, baixo consumo de energia e manutenção direta. No entanto, eles são marginalmente eficazes na remoção dos orgânicos principalmente responsáveis por BOD e COD e, durante as perturbações, podem liberar sólidos suspensos. 

A limpeza on-line normalmente não é uma característica dessas unidades, mas a substituição de disco é o processo para restaurar a eficiência.

Biorreatores de membrana 

Um biorreator de membrana (MBR) é um método avançado para remover material orgânico solúvel de águas residuais. No entanto, no lugar de uma bacia de assentamento ou clarificador, os MBRs utilizam membranas de ultrafiltração ou microfiltração para filtrar sólidos suspensos do licor misto. O MBR pode produzir um efluente cristalino. O projeto mais básico do MBR é mostrado na Figura 8.17.

Figura 8.17. Esquema básico do MBR.

Assim como com as outras tecnologias modernas descritas nesta seção, o MBR tem uma área muito menor do que um sistema de lodo ativado convencional com clarificador. Concentrações mais altas de MLVSS são possíveis, o que reduz o volume do tanque de aeração. As técnicas de controle de processo do MBR são semelhantes às do lodo ativado convencional, onde o operador ajusta a taxa de fluxo do WAS para manter a concentração desejada de bactérias no tanque de aeração.

Essas unidades podem lidar com tarefas de ciclagem muito melhor do que um sistema convencional. Se o MBR precisar ficar off-line por vários dias, a saúde do micróbio pode ser mantida pela alimentação de materiais orgânicos simples, como melaço.

A limpeza da membrana é normalmente necessária quando a pressão da membrana aumenta em 5 kPA ou mais acima da linha de base. Um sistema de limpeza no local (CIP) é comum para essa finalidade. A seleção correta de produtos químicos é importante para limpezas eficazes. Alvejante e soda cáustica são típicos para incrustantes orgânicos, enquanto que para matéria inorgânica, incluindo partículas de óxido de ferro, uma solução contendo oxálico ou ácido cítrico pode ser melhor. Em alguns casos, a solução de limpeza gasta pode ser considerada resíduo perigoso. Consulte o fabricante da membrana para obter diretrizes específicas de limpeza. 

A figura a seguir descreve uma configuração de MBR com filtração por membrana externa.

Figura 8.18. MBR com filtração externa.

Observe a zona anóxica nesta figura. Este recipiente de reação é uma etapa adicionada para a remoção de espécies de nitrogênio melhoradas e será discutido em mais detalhes posteriormente.

Embora a tecnologia MBR ofereça várias vantagens, os módulos de membrana podem ser caros e geralmente devem ser substituídos a cada 5 a 10 anos. 

Biorreator de leito móvel (MBBR) 

Um MBBR contém mídia móvel (discos de plástico) que se movem no recipiente de reação. Os micróbios se fixam ao meio e consomem orgânicos e nutrientes à medida que o meio circula. A grande área de superfície do meio proporciona excelente interação entre as bactérias e impurezas.

Figura 8.19. Esquema MBBR com zona anóxica.

Figura 8.20 Mídia comum MBBR.

Os vasos de reação geralmente têm misturadores; embora em vasos aerados, a injeção de ar ajuda a manter os transportadores plásticos em movimento constante. Assim como no MBR, o processo pode ter vários estágios para remover várias impurezas. 

As bactérias podem desenvolver uma carga de superfície eletrostática positiva que é biologicamente regenerada como íons de amônio (NH₄⁺). Os íons de amônio são subsequentemente convertidos em nitrato. A faixa de pH ideal para essa bioquímica é de 7,2–7,5.

Embora alguns projetos MBBR tenham clarificadores para polimento de efluentes, a filtração por membrana também é viável. Ambos devem ser externos aos tanques de reação.

Remoção de nitrogênio biológico 

Conforme descrito anteriormente, a amônia é um nutriente primário para as bactérias em sistemas de tratamento biológico. No entanto, o efluente pode conter mais amônia do que a bactéria pode remover, exigindo remoção adicional de nitrogênio do efluente antes da descarga.

Nitrificação 

Em muitos casos, a conversão de amônia em nitrato menos tóxico (NO₃^–) pode ser tudo o que é necessário para atender às diretrizes de secreção de amônia. Bactérias especializadas conduzem esse processo.

Figura 8.21. O processo bioquímico de nitrificação.

A maioria dos sistemas de tratamento de águas residuais aeróbicas pode ser configurada para promover a nitrificação. As condições necessárias incluem:

• Concentrações elevadas de MLVSS. Nitrossomonas e Nitrobacter são organismos de crescimento lento que geralmente se ligam à superfície de bactérias heterotróficas. Longos tempos de retenção de lodo elevam o MLVSS, permitindo que bactérias nitrificantes se estabeleçam e prosperem.
• Altas concentrações de oxigênio dissolvido, que aumentam a conversão em nitrito e, em seguida, nitrato.
• Alcalinidade de bicarbonato suficiente. O processo de nitrificação cria ácido que inibiria o processo microbiano sem a influência neutralizante da alcalinidade. Além disso, as bactérias nitrificantes utilizam o carbono inorgânico de alcalinidade como fonte alimentar.

Desnitrificação 

Dependendo da sensibilidade do corpo receptor de água, as permissões de descarga podem exigir uma baixa concentração total de nitrogênio no efluente. Nesse caso, a conversão básica de amônia em nitrato pode não ser adequada para conformidade. Através de um processo em etapas, com o auxílio de bactérias benéficas, o nitrato pode ser convertido em gás nitrogênio que escapa para a atmosfera.

Figura 8.22. O processo em etapas de conversão de nitrato em nitrogênio elementar.

A desnitrificação requer uma etapa extra no processo aeróbico convencional em sistemas de crescimento anexados e suspensos. As bactérias funcionam em um ambiente “anóxico”, com uma concentração de D.O. próxima a zero.

Figura 8.23. Um sistema de lodo ativado comum com desnitrificação.

No tanque anóxico, as bactérias extraem oxigênio do nitrato e iniciam a sequência de reação mostrada na Figura 8.22. É necessário um suplemento alimentar orgânico, como metanol.

Alguns sistemas de desnitrificação modernos são do projeto de porta-ludzak modificado (MLE). Esse arranjo coloca o tanque anóxico à frente da bacia aeróbica e incorpora um fluxo de reciclagem de alto fluxo da bacia aeróbica de volta ao tanque anóxico.

Figura 8.24. Esquema do processo MLE.

O carbono orgânico no afluente da zona anóxica serve como alimento para a bactéria desnitrificante, eliminando a necessidade de ração orgânica artificial, como metanol. O MLSS reciclado contém o NO₃/NO₂ da conversão de amônia na bacia de aeração e é reciclado de volta para a bacia anóxica para desnitrificação. Por fim, o processo atinge um estado estável, o que resulta em uma concentração relativamente baixa de NO₃/NO₂ no efluente.

Tratamento terciário de águas residuais

O tratamento terciário melhora a qualidade das águas residuais para torná-las adequadas para descarga de fluxos de recebimento ou reutilização em aplicações de água industrial. O processo de desnitrificação biológica descrito acima é um exemplo de tratamento terciário. Outros processos incluem filtração de meios, filtração de carvão ativado e desinfecção.

Filtração

Métodos de filtração de meios e carvão ativado podem não ser necessários se os níveis de partículas estiverem abaixo dos limites de descarga, mas se a filtração for necessária, uma avaliação minuciosa das condições de efluentes é importante para selecionar a tecnologia mais eficaz.

Desinfecção 

Para águas residuais municipais, a desinfecção para matar patógenos é necessária para evitar sua liberação para o meio ambiente. Muitos efluentes industriais podem não conter patógenos, mas se a desinfecção for necessária, os métodos primários incluem cloração, tratamento com peróxido de hidrogênio e exposição à radiação ultravioleta.

Cloro 

A cloração ainda é muito popular para desinfecção de águas residuais. A maioria das indústrias não usa mais gás cloro devido aos perigos associados ao cloro elementar e ao manuseio de cilindros de gás. O alvejante líquido surgiu como substituto devido aos requisitos simplificados de manuseio e transporte em comparação com o cloro, com uma ressalva. O alvejante industrial tem uma concentração ativa de 12,5%, portanto, os custos de transporte podem ser significativos para transportar um produto que é principalmente água.

A concentração de oxidante residual em muitas permissões de descarga é de 0,2 mg/l e, às vezes, muito menor. A descloração com bissulfito de sódio líquido ou dióxido de enxofre gasoso pode ser necessária. A descloração adiciona outro nível de complexidade e custo à desinfecção de águas residuais.

Peróxido de hidrogênio 

O peróxido de hidrogênio (H₂O₂) é um oxidante forte de ação rápida e reagirá rapidamente para matar microrganismos, incluindo vírus e bactérias. Os subprodutos H₂O₂ são oxigênio e água, portanto, os problemas de efluentes são inexistentes. As desvantagens incluem procedimentos de manuseio complicados e sistemas de alimentação caros.

Desinfecção ultravioleta 

A desinfecção ultravioleta (UV) inativa os microrganismos. UV oferece simplicidade, evita o manuseio de produtos químicos e não produz subprodutos de desinfecção. No entanto, a luz UV deve penetrar através das águas residuais, o que pode ser problemático para grandes volumes ou se a água estiver turva. As instalações UV exigem barragens ou portões para controlar o nível e a velocidade das águas residuais.

Condicionamento e desidratação de lodo

Praticamente todos os sistemas de tratamento de águas residuais produzem um lodo residual que deve ser descartado. Em alguns casos, o lodo pode ser aplicado diretamente a terras caídas para servir como nutrientes para a vegetação, como fazendas ou campos de golfe. Em outras situações, o lodo deve ser convertido em um produto seco que possa ser depositado em terra. Em alguns casos, o lodo contém metais pesados que foram sequestrados dentro dos sólidos. O processamento de lodo perigoso pode ser complexo, desafiador e caro. A seleção da melhor tecnologia para qualquer aplicação requer conhecimento da origem e dos constituintes do lodo, bem como dos requisitos finais de descarte. 

Condicionamento 

O método primário de condicionamento de lodo é o espessamento para preparar o lodo para desidratação. Em muitos casos, o processo é semelhante ao da clarificação convencional, ou seja, coagulação e floculação.

Os coagulantes mais comuns para desidratação de lodo são o cal e o cloreto férrico. No entanto, outros coagulantes podem ser eficazes, como sulfato de alumínio, cloridrato de alumínio (ACH), cloreto de polialumínio (PAC), sulfato férrico, coagulantes orgânicos e misturas de coagulantes orgânicos/inorgânicos. Assim como com a clarificação, os coagulantes neutralizam a carga negativa dos particulados. 

Floculantes comuns de águas residuais têm estruturas reticuladas para resistir ao cisalhamento durante a desidratação de lodo. No entanto, às vezes, floculantes ramificados e lineares mais convencionais podem ser econômicos. Floculantes reticulados oferecem maior captura de sólidos, produzindo um filtrado com menor TSS. Floculantes aniônicos podem ser mais eficazes para a desidratação de lodo inorgânico, enquanto floculantes catiônicos podem ser mais adequados para a decantação e desidratação de lodo orgânico.

Os auxiliares de filtragem podem ajudar na preparação do lodo. Os auxiliares de filtragem mais comuns incluem terra diatomácea, perlita, cinzas, carvão, carvão ativado, fibra (polpa de papel) e serragem. Esses materiais criam microcanais no lodo que adicionam estrutura ao bolo de filtro, melhoram a drenagem e facilitam a liberação do bolo do meio filtrante.
O teste de jarros com a ajuda de um fornecedor de produtos químicos para tratamento de água é muito importante para selecionar os produtos químicos e dosagens adequados para clarificação eficiente e condicionamento de lodo. Assim que os testes de jarros confirmarem a química adequada, os testes piloto em escala completa ajudarão a identificar os melhores pontos de alimentação para garantir a mistura e o tempo de contato ideais. A seleção do programa de tratamento final é uma função de vários fatores, incluindo o custo do tratamento químico e a facilidade de aplicação equilibradas com o desempenho ideal do clarificador e características do lodo.

Métodos de desidratação de lodo 

Para sistemas de águas residuais onde a desidratação de lodo é necessária, otimizar o processo de desidratação é economicamente benéfico. Além disso, a desidratação deficiente de lodo pode potencialmente desligar a planta se o material não for adequado para transporte ou descarte. As seções a seguir descrevem as tecnologias de desidratação de lodo mais comuns. 

Pressionar correia 

Um esquema básico da prensa de correia e a operação real da unidade são mostrados abaixo.

Figura 8.25. Esquema da prensa do filtro da correia.

A gravidade drena um pouco de água ao longo do plano horizontal à medida que a correia gira. A remoção de água adicional ocorre à medida que a correia passa pelo rolo grande e os rolos menores comprimem o lodo. As propriedades dos sólidos aqui são mais importantes e dependem da operação adequada do clarificador e da química para manter a integridade das partículas. Os recursos mecânicos do filtro da correia, como carga hidráulica, velocidade e tensão da correia, força de compressão do rolo e sistemas de lavagem com água da correia também são fatores importantes.

Centrífuga 

As centrífugas podem ser de fluxo contínuo ou de lote. Um design comum é mostrado abaixo.

Figura 8.26. Um esquema de centrífuga de “invólucro sólido”. O azul representa o volume de água enquanto o transportador é o parafuso helicoidal no centro da máquina.

A rotação rápida da centrífuga confere uma força 3.000–6.000 vezes maior do que a gravidade para remover a água dos sólidos. O bolo é extraído em uma extremidade da centrífuga e a água, conhecida como concentrado, sai da extremidade oposta.

Assim como ocorre com outros sistemas de desidratação, o condicionamento de lodo pode melhorar o desempenho da centrífuga. A alimentação de floculantes logo antes ou dentro da centrífuga pode ser benéfica. Outros ajustes mecânicos podem ser feitos no volume da piscina, na velocidade do reservatório e na velocidade do transportador. 

Prensa de filtro de placa e estrutura (PFFP) 

PFFP é um dispositivo muito comum que opera em lotes.

Figura 8.27. Esquema PFFP.

O compartimento contém muitas placas individuais cobertas com pano de filtro. O lodo é bombeado para dentro do recipiente e preenche as aberturas entre as placas. Ao contrário da crença popular, a pressão mecânica não é aplicada às placas. Em vez disso, à medida que os sólidos se acumulam e fecham o espaço entre as placas, a pressão aumenta e impulsiona a água através dos canais de saída. O processo continua até que a pressão máxima da bomba seja alcançada e/ou o fluxo do filtrado atinja um mínimo. Uma faixa de pressão comum é de 25 a 225 psig, dependendo da aplicação. Alguns sistemas são projetados para aumentar gradualmente o fluxo e a pressão, pois, caso contrário, pode ocorrer o mascaramento de panos. Quando o ciclo chega à conclusão, a pressão é liberada e as placas são separadas mecanicamente. O bolo de filtro é descarregado em um funil abaixo para descarte subsequente.

PFFP é frequentemente o método preferido para tratar lodo com características de desidratação ruins. A alimentação de coagulante, floculante ou auxiliar de filtragem pode melhorar a drenagem de água e a liberação de bolo. Por exemplo, a adição de terra diatomácea ao lodo oleoso pode reduzir o mascaramento do pano de filtro.

Algumas unidades são equipadas com um sistema de sopro de ar para empurrar o lodo líquido para fora antes da separação da placa. Um procedimento de manutenção regular é a lavagem de panos para remover sólidos que não liberam durante a geração normal de bolos. 

Filtros de vácuo 

A configuração típica do tambor de vácuo é mostrada abaixo.

Figura 8.28. Esquema e foto do tambor de vácuo.

O tambor horizontal perfurado é coberto com um pano de filtro e separado em seções onde o vácuo é aplicado. À medida que o tambor gira através do fluido na cuba, a água é puxada para dentro e os sólidos se acumulam no pano de filtro das seções individuais. Uma rotação adicional leva o bolo a um raspador com uma tolerância firme ao pano do filtro, de modo que o bolo seja removido e caia em um funil de coleta. Essas tremonhas são frequentemente equipadas com um transportador que move o lodo para uma área de retenção maior ou instalação de carregamento de caminhões. O recipiente de alimentação de lodo tem agitadores para manter uma concentração homogênea de sólidos, o que é necessário para estabelecer uma espessura de bolo consistente.

A eficiência do filtro de vácuo é frequentemente medida como libras de lodo seco produzido por hora por metro quadrado de área de filtração. Outra medida comum é a porcentagem de sólidos ou a porcentagem de umidade no bolo. Assim como com outros métodos de desidratação, a alimentação de condicionadores de lodo a montante do filtro pode melhorar o desempenho. Ajustes físicos, incluindo alterações no nível da cuba e na velocidade de rotação do tambor, também podem ser empregados para melhorar o desempenho. Velocidades mais altas reduzirão a espessura do bolo e o tempo de desidratação, resultando em maior produção em termos de área de superfície do filtro, mas essa mudança pode produzir um bolo com maior teor de umidade. A velocidade reduzida do tambor produz um bolo mais espesso, mas pode reduzir a taxa de produção. Fatores adicionais que influenciam o desempenho incluem:

• Concentração de sólidos em suspensão de lodo.
• Tamanho e forma da partícula de lodo. (Partículas muito finas às vezes podem obstruir o pano de filtro).
• Compressibilidade e viscosidade do lodo.
• Vácuo aplicado. Um “tamanho único” não é uma boa abordagem. O vácuo pode precisar de ajuste com base na compressibilidade do lodo e no potencial de mascaramento do pano.

Descarga zero de líquido

As regulamentações de descarga de instalações industriais tornaram-se cada vez mais rigorosas desde que a Lei da Água Limpa (1972) foi introduzida pela primeira vez. Como foi observado anteriormente neste capítulo, os limites de alguns constituintes, como metais pesados, podem estar em baixas concentrações de ppb e ainda mais baixos para elementos especialmente perigosos, como o mercúrio. A descarga zero de líquidos (ZLD) pode ajudar a mitigar algumas incertezas sobre a conformidade de efluentes de águas residuais. Além disso, algumas fábricas adotaram o ZLD por necessidade devido à escassez de água atual ou futura. Cada etapa em um processo ZLD geralmente se torna cada vez mais cara e exige muita manutenção/trabalho. O projeto rigoroso do sistema e o compromisso consciente da gerência da fábrica com os detalhes operacionais e de pessoal geralmente determinam o sucesso ou a falha de um projeto. 

Esta seção examina várias das configurações de ZLD mais comuns e ilustra alguns dos principais problemas para alcançar ZLD. Também discutimos sistemas ZLD quase zero, nos quais um fluxo final, pequeno e compatível com descarga é gerado, enquanto constituintes valiosos no fluxo recuperado são reciclados para um processo da fábrica.

Configurações ZLD

Uma indústria notável com aplicações ZLD é a geração de energia de ciclo combinado. Uma configuração é mostrada abaixo.

Figura 8.29. Uma das várias configurações viáveis de ZLD para uma usina de energia de ciclo combinado.

Um componente-chave desse processo, como ocorre com vários outros, é uma unidade de osmose reversa (OR) de alta recuperação para recuperar aproximadamente 90% da descarga para retorno ao sistema de água de reposição. RO é uma tecnologia econômica para purificar a maior parte das águas residuais e reduzir muito o volume para as tecnologias downstream muito mais caras.

Normalmente, o pH do afluente de OR deve ser elevado com alimentação cáustica para obter recuperações tão altas. No entanto, sem pré-tratamento, o ajuste do pH induziria precipitação de cálcio e silicato nas membranas de OR, desligando rapidamente a unidade. Consequentemente, a configuração mostrada acima tem um clarificador de fluxo lateral para remover a dureza e a sílica. A maioria dos efluentes do clarificador recicla para a torre de resfriamento, mas um fluxo de sangria, que representa a purga da torre de resfriamento, é levado para a OR. O permeado de OR de alto volume é reciclado para o sistema de tratamento de reposição, enquanto o fluxo de rejeição de OR muito menor recebe o tratamento final em um evaporador/cristalizador (E/C). Os sólidos da unidade E/C são misturados com lodo clarificador seco para descarte.

Em sistemas como esses, evaporadores/cristalizadores têm os mais altos custos operacionais e materiais. Mesmo com um pequeno volume de afluentes, os E/Ss podem ser sistemas grandes e complexos para operar. A alimentação de cristais de sementes é comum para induzir a precipitação de sólidos frescos nos cristais, em vez de superfícies internas.

Figura 8.30. Um concentrador de salmoura.

As unidades de E/C normalmente devem ser fabricadas a partir de metais especiais para minimizar a corrosão dos sais altamente concentrados. Os requisitos de energia são consideráveis devido ao aumento do ponto de ebulição à medida que as soluções de sal se tornam mais concentradas. Uma tecnologia que foi desenvolvida para reduzir os custos de energia é a aplicação de um vácuo mecânico ao evaporador para diminuir o ponto de ebulição. Os custos de energia para as bombas de vácuo não são influenciados pelo aumento do ponto de ebulição.

Em uma variação do descarte final de água das Figuras 8.29 e 8.31 abaixo, um tanque de pulverização substitui o evaporador/cristalizador em uma usina de ciclo combinado em um local semiárido no oeste dos EUA. A recuperação da OR é de 90 por cento, e o tanque de pulverização tem capacidade suficiente, admitidamente com uma grande pegada, para fornecer a evaporação média necessária para lidar com eventos periódicos de precipitação pesada. Também é digno de nota neste caso que a OR tem microfiltração a montante para proteger as membranas contra incrustação por partículas.

Uma alternativa à Figura 8.29 é mostrada abaixo.

Figura 8.31. Uma variação do sistema mostrada na Figura 8.29.

Nesta configuração, o clarificador/amaciante trata a composição da torre de resfriamento, não a purga. Esse arranjo permite ciclos mais altos de concentração da torre de resfriamento e uma taxa de purga inferior correspondente. (Consulte a Figura 6.24 no Capítulo 6 para obter uma ilustração dessa relação.) Um menor volume de purga pode eliminar a necessidade de OR, com alimentação direta para o concentrador de salmoura. No entanto, a clarificação de amolecimento produz grandes quantidades de lodo.

Vários projetos e lições operacionais aprendidas estão disponíveis nas instalações ZLD anteriores. Deficiências ou problemas frequentes incluem: 

• Muitos evaporadores/cristalizadores são subdimensionados devido ao alto custo deste equipamento.
• O controle de incrustação e espuma em evaporadores/cristalizadores apresenta desafios significativos, incluindo a seleção de programas de tratamento eficazes e econômicos.
• A operação ZLD confiável requer pessoal altamente treinado e sistemas de controle de processo sofisticados.
• Uma necessidade comum é uma grande lagoa de armazenamento ou evaporação para coletar águas residuais quando o sistema ZLD estiver inativo por uma interrupção programada ou não programada.

ZLD quase zero

Os exemplos destacados nas figuras acima ilustram o ZLD completo para eliminar toda a descarga de água líquida, exceto talvez para umidade leve dentro do lodo desidratado. Os ajustes de configuração podem fornecer ZLD quase zero, no qual o sistema conserva e recicla água, mas também recupera um subproduto valioso para reutilização na fábrica. O RO é utilizado para concentrar a solução salina em um volume muito menor, seguido por eletrólise da solução concentrada para gerar ácido cáustico e sulfúrico. O líquido restante é um pequeno fluxo purificado. Outra aplicação envolve a concentração de compostos orgânicos em um volume menor, com a remoção de impurezas de acompanhamento por carvão ativado granular (GAC) ou talvez uma resina especializada de troca iônica que pode então ser levada para uma instalação de descarte permitida.

Os exemplos nesta seção descrevem várias tecnologias em evolução para reduzir ainda mais a descarga de impurezas prejudiciais ao meio ambiente. Mas o projeto, a instalação e a operação do ZLD exigem atenção rigorosa aos detalhes do início ao fim. O custo da falha pode ser astronômico.

Conclusão

Como este capítulo enfatizou, a qualidade dos efluentes industriais pode ser altamente variável, o que requer flexibilidade no projeto do tratamento. Um exemplo adicional e muito interessante é fornecido no Anexo 8-1, que discute um processo que muitas vezes não é mencionado em livros técnicos gerais, mas é importante para muitos setores. O ponto-chave é que, para qualquer aplicação, é necessária uma diligência prévia e uma revisão rigorosa do projeto e das necessidades do projeto para selecionar o procedimento adequado de tratamento de águas residuais. Testes de campo e, às vezes, testes piloto também são itens importantes, que podem ser coordenados com uma empresa de tratamento de água de boa reputação.

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Referências

1. https://www.epa.gov/npdes
2. Manahan, S.E., Fundamentos da Química Ambiental, CRC Press LLC, Boca Raton, FL, 1993.
3. Ross, Charles C., Brandon M. Smith e G. Edward Valentine. “Repensando o projeto de flutuação de ar dissolvido (DAF) para pré-tratamento industrial.” WEF e Purdue University Industrial Wastes Technical Conference. 2000.
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5. Edzwald, J. K., e Haarhoff, J. (2012). Flutuação de ar dissolvido para clarificação da água. McGraw-Hill. Buecker, B., Belden, J. e I. Mello, “Iron and Peroxide Chemistry: Uma arma comum para combater vários problemas da estação de tratamento de águas residuais”; WaterWorld , novembro 2019.
6. K. Boudreaux, “Treinamento ZLDS”; Apresentação de treinamento técnico da ChemTreat.
7. Informações fornecidas por Alfonso Salinas, ChemTreat.
8. S. Ottewell, “Tecnologia de águas residuais: Desenvolvimentos diminuem a descarga”; Chemical Processing Morning Briefing, 15 de março de 2022.

Anexo 8-1

Coagulação de tinta

Introdução

Por muitos anos, humanos pintaram ou de outra forma revestiram materiais e estruturas para protegê-los da corrosão e degradação atmosférica, e muitas vezes também para estética. A pintura de muitos componentes de equipamentos é feita em cabines de pulverização, onde as condições ambientais, incluindo temperatura, umidade, e os níveis de poeira são cuidadosamente controlados para otimizar o processo de pintura. No entanto, em qualquer lugar de 20% a 70% da tinta não entra em contato com o alvo e é considerado excesso de pulverização. A lavagem com água é comum para remover esse excesso de pulverização, se a tinta não for tratada adequadamente, também conhecido como “descolado”, pode entupir rapidamente bombas e tubos de recirculação, degradar a qualidade do ar de exaustão, e aumentar os riscos de incêndio e explosão. Se a tinta for retirada, mas a água de lavagem não for tratada adequadamente, a água pode servir como fonte alimentar para bactérias patogênicas ou causadoras de odor. Este apêndice descreve os problemas únicos, mas muito importantes, do tratamento de águas residuais para as muitas instalações de pintura em todo o mundo.

Design de cabine de pulverização de tinta

Existem inúmeros designs de cabines de pintura, mas este apêndice examina dois: rascunho lateral e rascunho inferior. O estande de rascunho lateral é o design mais antigo e comum.

Figura 8.1.1. Esquema de uma cabine de desenho lateral.

O ar entra em um lado do estande e esgota no outro lado. O ar carregado de tinta passa por uma cortina de água que esfrega o excesso de pulverização, com descarga para um reservatório. O reservatório é descarregado para uma unidade de coleta de tinta para remoção de tinta, com retorno de água limpa para a cabine de pulverização.  

Os estandes de saque são projetados para aplicações maiores e são usados exclusivamente em fábricas de montagem de automóveis.

Figura 8.1.2. Design do estande de saque.

Neste projeto, o ar filtrado entra do teto e sai através de fendas no chão. A água entra no estande de ambos os lados e sai através das aberturas do piso. O contato íntimo ar/água esfrega a tinta. Limpe as exaustões de ar através de pilhas, enquanto a água carregada de tinta flui da parte inferior da cabine para a unidade de tratamento. Assim como ocorre com os designs de rascunho lateral, a água limpa é devolvida ao estande.

Tratamento de águas residuais 

Como existem muitas variedades de tintas, com diferentes produtos químicos, não é possível uma abordagem de “tamanho único” para a desprendimento. Considere tintas do tipo laca que se curam por perda de solvente orgânico quando expostas à atmosfera. A adição cáustica à água frequentemente melhora a lavagem, pois reage com o aglutinante na laca para formar um sabão que age como um surfactante para emulsificar o solvente. O solvente emulsificado se separa da tinta, permitindo que a tinta endureça como um floco suspenso disperso durante a reação de desempilhamento, enquanto o solvente emulsificado é removido com a água do sistema. O hidróxido de sódio ou potássio são a fonte cáustica típica.

Sais metálicos de coagulantes inorgânicos de ferro ou alumínio podem servir para remover tintas reativas ao ar e tintas não reativas ao ar à base de solvente. Para a correta desempilhamento, o pH deve ser aumentado para uma faixa de 8–10. Os sais metálicos reagem com ésteres nas tintas para formar um sabão metálico que acelera o processo de cura. Além disso, um floco de pinos e complexo associado de hidróxido de metal precipitado com microbolhas de ar aprisionado se desenvolve. A tinta pode então ser prontamente separada da água. Em geral, tinta à base de água não é pegajosa e não precisa ser desmontada, no entanto, ele deve ser removido da água do sistema do estande. O tratamento com um floculante de alto peso molecular (HMW) é comum para remover o floco de pinos. Floculantes aniônicos são típicos para tintas à base de solvente e floculantes catiônicos para tintas à base de água. A dosagem de sal metálico necessária pode variar amplamente dependendo da aplicação. 

Se a descolamento for difícil, o aprimoramento da química de dispersão da água de pulverização pode ser necessário. Isso pode ser feito aumentando a alcalinidade da água, enquanto se toma cuidado para permanecer dentro da faixa operacional de pH necessária. As cinzas sodadas (Na₂CO₃) e o metasilicato de sódio são produtos químicos condicionadores comuns.  

Coloides ácidos podem ser empregados para desprender tintas à base de solvente. Esses compostos têm propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas. Eles são solúveis em condições ácidas, mas formam uma estrutura complexa com pH crescente. Alguns coloides ácidos incluem amido cationizado, sílica-amina, silicato-amina e melamina-formaldeído. As extremidades hidrofóbicas das moléculas se ligam às gotículas de tinta, enquanto as extremidades hidrofílicas se ligam à água. As gotículas de tinta são revestidas com água e não são mais pegajosas. Esse tratamento é mais eficaz quando a tinta permanece atomizada e depois se dispersa em água com pH elevado por adição de alcalinidade.

Um desprendedor moderno consiste em quitosana (uma glucosamina polimérica) e um sal metálico/amido catiônico. Esta formulação é considerada “Tecnologia Verde” e é patenteada por várias empresas. A quitosana vem dos crustáceos. O sal metálico é tipicamente à base de alumínio, com o amido derivado do milho. Devido à alta atividade da solução, a composição de alumínio/amido tem bom desempenho em uma dosagem mais baixa.  

A água da cabine de pintura é monitorada para manter o pH e a alcalinidade adequados para a dispersão de tinta desejada. 

O polímero de desempilhamento é normalmente alimentado à água de recirculação do estande. A dosagem de polímero é ditada principalmente pela quantidade de spray excessivo de tinta, tipo de tinta, tinta à base de solvente ou à base de água e design da cabine de pintura. A alimentação de polímero durante a produção é normal, no entanto, a alimentação de resíduos de polímero é possível para sistemas recém-preenchidos, quando a pintura é esporádica e/ou em sistemas onde a tinta desmontada não é regularmente removida da água de recirculação com uma unidade de consolidação de lodo.

De acordo com a discussão acima, a Figura 8.1.3 descreve o esquema geral do tratamento de água para desprendimento de tinta.

Figura 8.1.3. Esquema da água da cabine de pintura.

Conclusão

Este apêndice é apenas um exemplo das muitas aplicações de tratamento de águas residuais especiais que existem em vários setores. A avaliação cuidadosa e a coleta de dados são essenciais na escolha de programas de tratamento eficazes.

Sobre os autores

Jean M. Gucciardi

Consultor da equipe técnica da ChemTreat, aposentado

Jean Gucciardi trabalhou em tratamento de água industrial por quase quatro décadas, concentrando-se em aplicações de afluentes, caldeiras, resfriamento e águas residuais. Gucciardi foi publicada em várias publicações do setor ao longo de sua carreira. Ela é bacharel e mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade de Wisconsin.

David Marturana

Consultor técnico sênior

Dave Marturana trabalha em tratamento de água industrial desde 1981 e ingressou na ChemTreat em 2008. Ele é bacharel em Engenharia Química e Engenheiro Profissional licenciado na Comunidade da Pensilvânia. Consultor de aplicações para tratamento de água de efluentes industriais e afluentes, Marturana tem ampla experiência em seleção e otimização de coagulantes e floculantes, tratamento primário e biológico de águas residuais, tratamento municipal de águas cinzentas e aplicações de drenagem de lodo.

Maria Muniz

Diretor, Polímero e Pré-tratamento

Maria Muniz, diretora de polímeros e pré-tratamento, trabalha em tratamento industrial e de águas residuais desde 1990, com foco nas indústrias petroquímica, siderúrgica, automotiva e de alimentos e bebidas. Sua experiência em aplicações inclui separação de sólido-líquido, tratamento secundário e gestão de sólidos e drenagem em indústrias leves e pesadas nos EUA e internacionalmente.

Alfonso Salinas

Diretor, Tecnologia de Polímeros

Alfonso Salinas, diretor de tecnologia de polímeros, é especializado no projeto, construção e operação de processos de tratamento de água e águas residuais e tem experiência direta em instalações de tratamento com capacidade de fluxo entre 1 e 114 mgd. Suas áreas de especialização também incluem: biológica, coagulação-floculação, desidratação de lodo, remoção de metais, filtração, troca de íons, caldeiras e resfriamento, testes de jarros e testes de laboratório. Salinas é bacharel em Engenharia Civil e M.Sc. em Engenharia Ambiental.

Reconhecimentos

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