Manual do Water Essentials: Métodos industriais de tratamento de efluentes

Introdução aos métodos industriais de tratamento de efluentes

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 paratratamento industrial de águas residuais.  

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Tratamento primário de águas residuais

Os métodos ideais de tratamento de águas residuaisvariam 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 geralmente 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 dessas unidades de remover partículas é determinada pela Lei de Stokes. Sólidos suspensos mais pesados, como areia e areia, se depositarão 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 particular, a injeção de 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.

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

Adição de coagulante/floculante

O tratamento com coagulante/floculantedo 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. 

Câmara de flutuação 

A câmara de flotação 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. 

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.

Detalhes adicionais de projeto e operação DAF

Tamanho da bolha e relação ar/sólidos

A experiência indica que as condições ideais paraseparação líquido/sólidoocorrem com diâmetros de microbolhas dentro de um intervalo de 10–100 mícrons, com a maioria das bolhas variando entre 40–80 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 
• Alto = 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 a 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 flotação. 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.

Remoção de selênio 

Outro elemento problemático é olênio. 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 problemas 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. 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 dimetilselenida). 

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 zonas úmidas, pois as cargas de poluentes mais baixas 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 retido pelos micróbios. Periodicamente, o substrato deve ser removido e substituído por material novo. 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 atecnologiaChemTreat 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 determinado 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.

Tratamento secundário de águas residuais

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

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, comobiorreatores 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 tipicamente 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 fluxo 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 decantação 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 a 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 receptor de água 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 com licor misto (MLSS). Um volume conhecido de amostra é filtrado e seco, com medição do aumento do peso do filtro resultante.
• Sólidos suspensos voláteis de 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 planta 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 manuseio 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 acionam 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 do “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.

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 as bactérias nitrificantes se estabeleçam e prosperem.
• Altas concentrações de oxigênio dissolvido, o que aumenta 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. Por meio 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 modernos de desnitrificação são do projeto de porta-ludzak modificado (Modified Ludzak-Ettinger, 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 para o 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 de NO₃/NO₂ de efluente relativamente baixa.

Cloro 

A cloração ainda é muito popular para desinfecção de águas residuais. A maioria das indústrias não usa mais gás cloro devido aos riscos 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.

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 TSS mais baixo. Os floculantes aniônicos podem ser mais eficazes para a desidratação de lodo inorgânico, enquanto os floculantes catiônicos podem ser mais adequados para sedimentação 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 águaé muito importante para selecionar os produtos químicos e dosagens adequados para clarificação eficiente e condicionamento de lodo. Depois 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 fechar 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.

Como ocorre com outros sistemas de desidratação, o condicionamento de lodo pode melhorar o desempenho da centrífuga. A alimentação com floculante logo antes ou logo 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 o fluxo e a pressão gradualmente, pois, de outra forma, 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 descarrega 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, adicionar 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 de 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 medição comum é a porcentagem de sólidos ou a porcentagem de umidade no bolo. 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.

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 essas recuperações altas. No entanto, sem pré-tratamento, o ajuste de 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 de concentração mais altos da torre de resfriamento e uma taxa de purga correspondente mais baixa. (Consulte a Figura 6.24 noCapítulo 6para 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 em 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.

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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Anexo 8-1

Coagulação de tinta

Introdução

Por muitos anos, os seres 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 “destachado”, ele 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 da 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 desenho lateral tem 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 saques 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 design, 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 desempilhamento. Considere tintas do tipo laca que 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 eliminar tintas reativas ao ar e tintas não reativas ao ar à base de solvente. Para a correta desprendimento, 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, desenvolve-se um floco de pinos e complexo associado de hidróxido metálico precipitado com microbolhas de ar aprisionado. A tinta pode então ser prontamente separada da água. Em geral, a tinta à base de água não é pegajosa e não precisa ser desmontada, no entanto, ela deve ser removida 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 necessária de sal metálico pode variar amplamente dependendo da aplicação. 

Se a descolamento for difícil, pode ser necessário melhorar a química de dispersão da água de pulverização. Isso pode ser feito elevando a alcalinidade da água, tomando 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 fixam 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 slug 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.