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Tratamento de águas residuárias As principais características das águas residuais, suas características físico-químicas, assim como os principais mecanismos de tratamento e remoção de impurezas. Prof. José Fernando Cuadros Bohórquez 1. Itens iniciais Propósito Apresentar em que se fundamenta a utilização de águas residuais e a importância de sua exploração como alternativa para substituir o uso de água potável, tendo como recurso o produto de tratamento de esgotos. Objetivos Identificar as principais características das águas residuais, assim como os métodos e processos de tratamento. Reconhecer as características gerais dos sistemas de tratamento e seus diferentes componentes. Listar os parâmetros de projeto de sistemas com a finalidade de tratar águas residuais. Definir os principais elementos e características de uma rede de recolecção e transporte. Introdução Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo a seguir e compreenda os conceitos de tratamento de águas residuárias. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. • • • • 1. Sistemas de esgoto sanitário: origem e características do esgoto Vamos começar! As principais características das águas residuais e os métodos e processos de tratamento Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. O problema de águas residuais Eliminação e reaproveitamento de águas residuais A partir do momento em que surgiram as primeiras populações estáveis, o descarte de resíduos tem sido um grande problema para as sociedades humanas, uma vez que surgiu a necessidade de descartar tanto os excrementos quanto os restos de alimentos. Desde as últimas décadas do século XX, o mundo vem observando com preocupação, analisando e tentando solucionar uma série de problemas relacionados ao descarte de resíduos líquidos de origem doméstica, agrícola e industrial (SELENDY, 2011). Veja na próxima imagem um exemplo de tratamento desses resíduos. Planta de tratamento de águas residuais. As massas receptoras, ou seja, rios e córregos subterrâneos, lagos, estuários e o mar, na maioria dos casos, principalmente nas áreas mais densamente povoadas e desenvolvidas, não conseguiram, por si sós, absorver e neutralizar a carga poluidora que tais resíduos impõem. Assim, eles vêm perdendo suas condições naturais de aparência física e sua capacidade de sustentar uma vida aquática adequada, que responda ao equilíbrio ecológico que se espera deles para preservar nossas massas de água. Como consequência disso, muitas vezes, perdem as condições mínimas que lhes são exigidas para seu uso racional e adequado como fontes de abastecimento de água, como vias de transporte ou mesmo como fontes de energia. Os problemas causados não são apenas de natureza física ou estética, mas também transcendem o campo da saúde, pois as comunidades humanas precisam recorrer a diversos recursos hídricos superficiais para o seu abastecimento de água potável e, se estiverem contaminados com resíduos humanos ou industriais, podem levar a graves problemas epidemiológicos. Está claro que a poluição está diminuindo a qualidade da água em muitas partes do mundo. Com essa deterioração progressiva, o uso de técnicas e modelos para prever o comportamento de organismos indicadores de qualidade da água tem se tornado cada vez mais importante. Na maioria das nações, os programas de controle de poluição foram iniciados restringindo as descargas, estabelecendo limitações para certos compostos e parâmetros químicos, e alguns produtos químicos tóxicos foram identificados em águas residuais, para as quais foram estabelecidos regulamentos. Apesar do sucesso alcançado no controle da poluição da água nos países mais industrializados, muitos efluentes continuam a deteriorar os sistemas aquáticos e a interferir nos usos potenciais da água. As descargas de esgoto podem conter de algumas centenas a vários milhares de produtos diferentes, muitos deles subprodutos que ainda não foram identificados. É por isso que o efluente, antes de ser lançado nas massas receptoras, deve receber um tratamento adequado de acordo com sua composição, capaz de modificar suas condições físicas, químicas e microbiológicas, até que evite a ocorrência de problemas declarados de poluição e contaminação das águas receptoras. A eliminação de águas residuais não é o único problema a considerar, uma vez que, sendo a água um bem escasso, a cada dia necessária em maior quantidade, torna-se cada vez mais imprescindível o reaproveitamento dos recursos hídricos disponíveis de maneira a satisfazer as necessidades humanas. Definição e classificação das águas residuais As águas residuais podem ser definidas como aquelas que, devido ao uso do homem, representam um perigo e devem ser descartadas, por conterem grande quantidade de substâncias e/ou microrganismos. Esse conceito inclui águas com várias origens: Águas residuais domésticas ou águas negras Provenientes de fezes e urina humanas, de higiene pessoal, cozinha e limpeza da casa. Geralmente, contêm grande quantidade de matéria orgânica e microrganismos, além de vestígios de sabonetes, detergentes, lixiviados e gorduras. Águas brancas Provenientes da atmosfera (chuva, neve ou gelo) ou de irrigação e limpeza de ruas, parques e locais públicos. Nos locais nos quais a precipitação atmosférica é muito abundante, podem ser evacuadas separadamente para que não saturem os sistemas de purificação. Efluente industrial Proveniente do processamento realizado em fábricas e estabelecimentos industriais, contém óleos, detergentes, antibióticos, ácidos e gorduras, além de outros produtos e subprodutos de origem mineral, química, vegetal ou animal. Sua composição é altamente variável, dependendo das diferentes atividades industriais. Águas residuais agrícolas Provenientes do trabalho agrícola no meio rural. As águas residuais agrícolas costumam participar, em termos de origem, das águas urbanas, que são utilizadas, em muitos lugares, para irrigação agrícola, com ou sem tratamento prévio. Qualidade da água de reúso Segurança da água Os padrões de água de reúso podem diferir, em natureza e forma, entre países e regiões. Não existe um método único que possa ser aplicado universalmente. No desenvolvimento e na aplicação de regulamentos, é essencial levar em consideração as leis atuais e propostas relacionadas à água, saúde e ao governo local, bem como avaliar a capacidade de cada país de desenvolver e aplicar regulamentos. Os métodos que podem funcionar em um país ou uma região podem não ser, necessariamente, transferíveis para outros países ou regiões. Ao desenvolver uma estrutura regulatória, é essencial que cada país examine suas necessidades e capacidades (CLARK; HAKIM, 2014). Determinar a segurança – ou o que é considerado um risco aceitável em determinadas circunstâncias – é uma questão que diz respeito a toda a sociedade. Embora as diretrizes ou regulamentações descrevam a qualidade aceitável da água ao longo da vida, isso não significa que, ao aplicar os valores de referência nessas diretrizes, a qualidade da água de reúso possa ser degradada até o nível recomendado. De fato, deve ser feito um esforço contínuo para manter a qualidade da água para consumo humano ao nível mais alto possível. Um conceito importante na alocação de recursos para melhorar a segurança da água para consumo humano é o aumento de melhorias progressivas que levam à realização de objetivos de longo prazo. As prioridades estabelecidas para remediar os problemas mais urgentes (por exemplo, proteção contra microrganismos patogênicos) podem ser vinculados a objetivos de longo prazo de melhorias adicionais na qualidade da água (por exemplo, melhorias na aceitabilidade da água potável em relação a seu sabor, cheiro e sua aparência. Aspectos a considerar para garantir a segurança da água Os parâmetros básicos e essenciais para garantir a segurança da água para consumo humanonecessário estabelecer parâmetros condizentes com as regulamentações existentes e as necessidades locais. Para tanto, como vimos, deve-se compreender os métodos e processos necessários ao tratamento de águas residuais, assim como conhecer as características gerais dos sistemas de tratamento e seus componentes. Podcast Para encerrar seu estudo, ouça o podcast e relembre alguns dos principais pontos tratados no conteúdo, tais como: características das águas residuais e principais parâmetros indicadores da qualidade da água. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para ouvir o áudio. Explore + Pesquise o artigo Tratamento de água para abastecimento humano: contribuições da metodologia Seis Sigma, de Paulo Henrique Mazieiro Pohlmann e colaboradores, publicado no periódico Engenharia Sanitaria e Ambiental, v. 20, n. 1, jul./set. 2015. Referências AMÉRICO-PINHEIRO, J. H. P. (org.); BENINI, S. M. Bacias hidrográficas: fundamentos e aplicações. 2. ed. rev. red. Tupã, SP: Associação Amigos da Natureza da Alta Paulista, 2019. CLARK, R. M.; HAKIM, S. (ed.). Securing water and wastewater systems: Global Experiences. Cham: Springer International Publishing, 2014. E-book. Consultado na internet em: 19 ago. 2022. EATON, A.D.; FRANSON, M. A. H. Standard methods for the examination of water and wastewater. Washington: American Public Health Association, American Water Works Association, Water Environment Federation, 2005. FATTA-KASSINOS, D.; DIONYSIOU, D. D; KÜMMERER, K. Advanced treatment technologies for urban wastewater reuse. Cham: Springer International Publishing, 2016. E-book. Consultado na internet em: 19 ago. 2022. GERARDI, M. H. Wastewater pathogens. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, c2005. E-book. (Wastewater Microbiology Series). Consultado na internet em: 19 ago. 2022. GLOYNA, E. F.; ECKENFELDER, E. Advances in water quality improvement. Austin: Univ. of Texas, 1971, c1968. (Water Resources Symposium, v.1). KAWAMURA, S. Integrated design of water treatment facilities. Hoboken: Wiley, 1991. NATIONAL SERVICE CENTER FOR ENVIRONMENTAL PUBLICATIONS. NSCEP. National air quality and emissions trends report. USEPA, 1999. Consultado na internet em: 19 ago. 2022. SELENDY, M. H. (ed.) Water and sanitation-related diseases and the environment: challenges, interventions, and preventive measures. E-book. Hoboken, NJ: Wiley-Blackwell, c2011. Consultado na internet em: 19 ago. 2022. WANG, L. K.; YANG, C. T.; WANG, M. S. Advances in water resources management. Cham: Springer International Publishing, 2016. E-book. (Handbook of Environmental Engineering, 16). Consultado na internet em: 19 ago. 2022. Tratamento de águas residuárias 1. Itens iniciais Propósito Objetivos Introdução Conteúdo interativo 1. Sistemas de esgoto sanitário: origem e características do esgoto Vamos começar! As principais características das águas residuais e os métodos e processos de tratamento Conteúdo interativo O problema de águas residuais Eliminação e reaproveitamento de águas residuais Definição e classificação das águas residuais Águas residuais domésticas ou águas negras Águas brancas Efluente industrial Águas residuais agrícolas Qualidade da água de reúso Segurança da água Aspectos a considerar para garantir a segurança da água Aspectos microbiológicos Aspectos químicos Aspectos radiológicos Aspectos de aceitabilidade Descrição das operações unitárias nos sistemas de esgoto Etapas de potabilização Coagulação Floculação Sedimentação Simples Após a coagulação Filtração Desinfecção Vem que eu te explico! Definição de coloide Conteúdo interativo O que é a radiação? Conteúdo interativo Verificando o aprendizado 2. Visão geral e seleção de processos Vamos começar! Os sistemas de tratamento e seus diferentes componentes Conteúdo interativo Sistemas de abastecimento de água Contaminantes presentes na água e processos de tratamento Chuva Àguas superficiais Águas subterrâneas Físico Químico Gasoso Biológico Plantas de tratamento de água Principais processos empregados no tratamento de água Triagem Coagulação e floculação Atenção Tipos de coagulante: vantagens e desvantagens Sulfato de alumínio Cloreto férrico Sulfato férrico Sedimentação Sedimentadores estáticos Armadilhas de areia Unidades de fluxo horizontal Unidades de fluxo vertical Unidades de fluxo helicoidal Decantadores dinâmicos Unidades de manto de lodo com suspensão hidráulica Unidades de manta de lodo com suspensão mecânica Decantadores laminares Decantadores laminares de fluxo horizontal Decantadores laminares de fluxo inclinado Filtração Transporte de partículas dentro dos poros Aderência aos grãos do meio Características da suspensão Características do meio filtrante Características hidráulicas Desinfecção Curiosidade Vem que eu te explico! Quais são as características dos processos difusivos? Conteúdo interativo Fatores que influenciam a desinfecção Conteúdo interativo Verificando o aprendizado 3. Concepção de estações de tratamento de esgoto Vamos começar! Parâmetros de projeto de sistemas para tratamento de águas residuais Conteúdo interativo Qualidade do tratamento das águas residuais Importância do tratamento adequado Parâmetros indicadores de qualidade pH Alcalinidade Oxigênio dissolvido (OD) Demanda bioquímica de oxigênio - DBO DBO5 Demanda química de oxigênio - DQO Nitrogênio total Fósforo total Gorduras e óleos Sistema de lodo ativado Características do sistema de lodo ativado Partes integrantes do sistema de lodo ativado Tanque de aeração (reator) Tanque de sedimentação (decantador secundário) Recirculação de lodo Remoção do excesso de lodo Classificação e tipos de sistema de lodo ativado Idade Fluxo Efluente Parâmetros de desenho do sistema de lodo ativado Parâmetros de projeto e operação Necessidade de oxigênio e tipo de aeração Recomendação Tempo de retenção de sólidos Processo secundário de lodo ativado Processo de nitrificação Processo de aeração prolongado Relação alimento-microrganismo (F/M) Processo de lodo ativado convencional Aeração estendida no processo de lodo ativado Sistema UASB Características do sistema UASB Recomendação Vem que eu te explico! O que significa DBO e DQO? Conteúdo interativo O que são os processos aeróbios e anaeróbios? Conteúdo interativo Verificando o aprendizado 4. Rede de recolecção e transporte Vamos começar! Principais características dos sistemas de elevação, interceptores e emissários para sistemas de águas residuais. Conteúdo interativo Características da rede de recolecção e transporte Definição e composição da rede de recolecção e transporte Tipos de traçado geométrico da rede de esgotos Traço de baioneta Traço em baioneta e traço em pente Pista combinada Coletores, interceptores e emissores Layout de coletores, interceptores e emissores Traço perpendicular Traço radial Traço radial e traço na forma de interceptores Traço em forma de leque Coletores e emissores Emissores Local de despejo Aspectos a considerar no projeto da estrutura de descarga Tipos de descarga de efluentes Descarga em correntes de superfície Descarga em terra Descarga no mar Descarga em lagos e lagoas Descarga de água subterrânea Obras conexas Tipos de obras conexas Descarga doméstica Câmaras de visita Poços comuns e especiais Poços de caixa Poços de queda Vem que eu te explico! O que são emissores? Conteúdo interativo O que significa local de aterro? Conteúdo interativo Verificando o aprendizado 5. Conclusão Considerações finais Podcast Conteúdo interativo Explore + Referênciassão um "quadro" para a segurança da água que inclui os objetivos de proteção da saúde estabelecidos por uma autoridade com competência em matéria de consumo humano. Tal autoridade deve contar com sistemas adequados e bem administrados, infraestrutura apropriada, monitoramento adequado, planejamento e gestão eficazes, bem como um sistema de vigilância independente. A aplicação de uma abordagem abrangente na avaliação e gestão de risco dos sistemas de abastecimento de água aumenta a confiança na segurança da água. Essa abordagem envolve a avaliação sistemática dos riscos em todo o sistema de abastecimento de água potável – desde a fonte e captação de água até o consumidor – e a identificação de medidas que podem ser aplicadas para gerenciar esses riscos, incluindo métodos que garantam que as medidas de controle estão funcionando de forma eficaz. Água potável. As mudanças climáticas também devem ser consideradas à luz das mudanças demográficas, como o crescimento contínuo das cidades, o que por sua vez implica importantes desafios para o abastecimento de água para consumo humano. Nesse sentido, as mudanças climáticas – que se manifestam em períodos de seca longos e severos ou chuvas intensas que causam inundações – podem impactar tanto a qualidade quanto a quantidade de água, o que exigirá planejamento e gestão para minimizar os efeitos adversos nas fontes de água para consumo humano. Em apoio à estrutura para a segurança da água para consumo humano, as diretrizes estabelecias pela Organização Mundial da Saúde (OMS) oferecem informações abrangentes sobre os aspectos microbiológicos, químicos, radiológicos e questões de aceitabilidade. Veremos cada um desses aspectos a seguir: Aspectos microbiológicos A garantia da segurança microbiana no tratamento de águas residuais baseia-se na aplicação de múltiplas barreiras, desde a coleta até o descarte. A segurança é aumentada pela implementação de múltiplas barreiras, como a proteção dos recursos hídricos, a correta seleção e operação de uma série de etapas de tratamento e gestão de sistemas de distribuição (com canalização ou não) para manter e proteger a qualidade da água tratada. A estratégia preferida é a abordagem de gestão, que enfatiza principalmente a prevenção ou redução da entrada de patógenos em fontes de água e reduz a dependência de processos de tratamento para a eliminação de organismos patogênicos. Em termos gerais, os maiores riscos microbiológicos estão associados à ingestão de água contaminada com fezes humanas ou animais (incluindo as de aves). As fezes podem ser uma fonte de patógenos, como bactérias, vírus, protozoários e helmintos. A eliminação de microrganismos patogênicos é uma operação fundamental realizada com muita frequência com produtos químicos reativos, como o cloro. Por tal motivo, a desinfecção é de inquestionável importância na segurança do abastecimento de água para consumo humano. A desinfecção é uma barreira eficaz contra muitos patógenos (especialmente bactérias) durante o tratamento de água potável e deve ser usada tanto para águas superficiais quanto subterrâneas, expostas à contaminação fecal. A desinfecção residual é utilizada como proteção parcial contra a contaminação com baixas concentrações de microrganismos e seu crescimento no sistema de distribuição. Aspectos químicos As preocupações com a saúde associadas aos componentes químicos da água são distintas daquelas associadas à contaminação microbiana e devem-se principalmente à capacidade dos componentes químicos de produzir efeitos adversos à saúde após períodos prolongados de armazenamento. Poucos componentes químicos da água podem causar problemas de saúde como resultado de uma única exposição, exceto no caso de contaminação em grande escala acidental no sistema de abastecimento de água para consumo humano. Além disso, a experiência mostra que em muitos, mas não em todos, desses incidentes, a água torna-se imprópria devido ao sabor, odor ou à aparência inaceitáveis. Em situações em que a exposição de curto prazo não é suscetível de causar danos à saúde, muitas vezes, é mais eficaz concentrar os recursos disponíveis para ações corretivas na detecção e remoção da fonte de contaminação, em vez de instalar um sistema caro de tratamento de água para consumo humano para a remoção dos componentes químicos (GERARDI, 2005). Aspectos radiológicos Algumas fontes de água potável, particularmente aquelas provenientes de águas subterrâneas, podem conter radônio, um gás radioativo. Embora o radônio possa entrar no ar interno dos edifícios pela água corrente das torneiras ou da gaseificação do chuveiro, a fonte mais significativa de radônio no ar interno vem do acúmulo natural no ambiente. A água potável pode conter substâncias radioativas do tipo radionuclídeo, que podem representar um risco para a saúde humana. Esses riscos são normalmente pequenos em comparação aos apresentados por microrganismos e produtos químicos que podem estar presentes na água potável. Aspectos de aceitabilidade A prioridade máxima deve ser dada ao fornecimento de água para consumo humano que, além de segura, tenha aparência, sabor e cheiro aceitáveis. A água esteticamente inaceitável afetará a confiança do consumidor, gerará reclamações e, mais importante, poderá levar ao consumo de fontes de água menos seguras. Descrição das operações unitárias nos sistemas de esgoto Etapas de potabilização A purificação é entendida como um conjunto de operações e processos físicos e/ou químicos, que são aplicados à água com o objetivo de melhorar sua qualidade e torná-la apta ao uso e consumo. A frase processo comum de purificação de água nos remete a um sistema que combina uma série de etapas, como coagulação, floculação, sedimentação, filtração e desinfecção, com produtos químicos, que atuam como economizadores no uso de coagulante e/ou desinfetante. Coagulação A coagulação é definida, de acordo com a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura (Food and Agriculture Organization of the United Nations – FAO), como a desestabilização de sólidos em suspensão e de coloides por um produto químico (coagulante). Algumas considerações que devem ser levadas em conta para uma coagulação eficaz e mistura rápida são: Tipo de coagulante a ser utilizado. Números de produtos químicos a serem adicionados e suas propriedades químicas. • • Condições locais. Características da água afluente. Características físicas dos produtos químicos. Possíveis perdas de carga na mistura rápida. Variações da vazão afluente. Tipo de processo subsequente. Custo e diversos aspectos. Floculação A floculação é o passo imediato para a mistura rápida, cujo objetivo é aumentar o número de colisões, permitindo a aglomeração de partículas coloidais, sedimentáveis ou filtráveis. Para isso, deve haver um sistema agitado que não permita que as partículas se assentem ou provoquem sua quebra. Sedimentação A sedimentação é entendida como a operação pela qual as partículas presentes em uma suspensão são removidas pela força da gravidade. Existem duas formas de sedimentação: Simples A sedimentação simples é usada regularmente para reduzir a quantidade de sólidos, antes de passar para a etapa de filtração ou processo químico. Após a coagulação A sedimentação após a coagulação, floculação ou amolecimento, como o próprio nome indica, é realizada para a remoção de sólidos sedimentáveis, que foram produzidos pelo tratamento químico. Filtração Embora 90% da turbidez e da cor sejam eliminados regularmente por floculação e sedimentação, uma porção do floco permanece em suspensão, sendo necessário removê-lo acondicionado em segmentos com diferentes tamanhos de partículas de brita e areia. A turbidez é definida como a medida da dificuldade de um feixe de luz atravessar uma certa quantidade de água, conferindo uma aparência turva à mesma. A filtração é uma etapa de grande importância, pois elimina alguns microrganismos resistentes à desinfecção. Além disso, a eliminação do floco remanescente eliminauma possível reação entre os elementos químicos da floculação e os agregados para desinfecção. A filtração não depende apenas de impedir a passagem de contaminantes no espaço vazio entre as partículas. É também um processo no nível da superfície, na qual a maior parte deles é absorvida, pelo que é fundamental uma boa filtração. Desinfecção A desinfecção é a destruição seletiva de organismos causadores de doenças. Nem todos os organismos são destruídos durante o processo, que é a principal diferença entre desinfecção e esterilização, processo que leva à destruição de todos os organismos. Os métodos mais utilizados para realizar a desinfecção são: Agentes químicos Agentes físicos Agentes mecânicos • • • • • • • • • • Radiação Os agentes químicos mais utilizados são os produtos químicos oxidantes, dos quais o cloro é o universalmente utilizado, embora o bromo e o iodo também tenham sido utilizados para a desinfecção de águas residuais. O ozônio é um desinfetante muito eficaz, cujo uso está aumentando, apesar de não deixar uma concentração residual que permita avaliar sua presença após o tratamento. Os agentes físicos usados são a luz (radiação ultravioleta e gama) e o calor. Para o engenheiro sanitarista, o conhecimento sobre as diferentes espécies contidas na água é de grande interesse, pois isso é indicativo do progresso alcançado em um sistema de tratamento. Esse conhecimento e os valores das análises físico-químicas proporcionam a eficiência e o bom funcionamento do sistema. Os agentes mecânicos envolvem o calor como agente desinfetante. Para o processo, normalmente, são usados equipamentos que permitem mais controle e menos risco operacional. Vem que eu te explico! Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar. Definição de coloide Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. O que é a radiação? Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Verificando o aprendizado Questão 1 Assinale a alternativa que indica as águas com um alto conteúdo de matéria orgânica e microrganismos: A Águas negras B Águas subterrâneas C Águas de esgoto D Águas superficiais • E Águas naturais A alternativa A está correta. A água negra é o termo utilizado para descrever a água descartada que possui matéria fecal e urina. É assim chamada pela grande quantidade e composição dos seus produtos químicos e contaminantes biológicos, e também por ser mais difícil de ser reciclada. Questão 2 Indique a opção que faz referência a águas provenientes de precipitação atmosférica muito abundante: A Águas negras B Água branca C Efluente industrial D Águas residuais agrícolas E Águas minerais A alternativa B está correta. Água branca é formada em uma corredeira; quando o gradiente de um rio aumenta o suficiente para perturbar seu fluxo laminar e criar turbulência, forma uma corrente instável borbulhante ou aerada. A água espumosa aparece na cor branca. 2. Visão geral e seleção de processos Vamos começar! Os sistemas de tratamento e seus diferentes componentes Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Sistemas de abastecimento de água Contaminantes presentes na água e processos de tratamento A água é de vital importância para o ser humano, pois, sendo considerada o solvente universal, ajuda a eliminar as substâncias resultantes dos processos bioquímicos produzidos no organismo. No entanto, também pode transportar substâncias nocivas ao organismo, causando danos à saúde das pessoas. As fontes de água que abastecem uma população podem ser provenientes de: Chuva Águas superficiais Águas subterrâneas • • • Chuva Àguas superficiais Águas subterrâneas A água tratada para consumo humano é de origem superficial. O crescimento populacional e o desenvolvimento industrial multiplicaram os problemas de poluição da água tanto de fontes superficiais quanto subterrâneas. A poluição da água é produzida principalmente pelo lançamento de esgoto, lixo, rejeitos de mineração e produtos químicos (WANG, 2016). Nessas condições, o ciclo da água já não tem capacidade suficiente para limpá-la, portanto, são necessários vários processos para desinfetá-la e torná-la adequada ao consumo humano. A complexidade dos processos que constituem o tratamento da água dependerá das características da água superficial a ser tratada. Por essa razão, é necessário preservar a qualidade da água da nascente para evitar custos não só ecológicos e sociais, mas também econômicos. A avaliação contínua da qualidade da água inclui as seguintes fases: Captação Tratamento Armazenamento Distribuição à população Um aspecto importante a ser considerado no tratamento de água é a produção de águas residuais, que devem ser devidamente geridas para possível reutilização ou reciclagem. Confira a classificação dos contaminantes presentes na água. 1. 2. 3. 4. Físico Os contaminantes físicos são: Cor Cheiro e sabor Gorduras e óleos Espumas Radioatividade Temperatura Sólidos dissolvidos Sólidos em suspensão Químico Os contaminantes químicos são: Matéria orgânica Acidez / alcalinidade pH Nitrogênio Fósforo Salinidade Metais pesados Detergentes Compostos tóxicos Pesticidas Gasoso Os contaminantes gasosos são: Dióxido de carbono Metano Sulfato de hidrogênio • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Biológico Os contaminantes biológicos são: Bactérias Fungos Protozoários Algas Animais Esses poluentes passam por diferentes processos para que a água atinja os limites máximos permitidos estabelecidos. As análises para o controle do processo e da qualidade da água tratada são realizadas de acordo com as normas aplicáveis da Organização Mundial da Saúde (OMS), da American Water Works Association (AWWA) ou do American National Standards Institute (ANSI). Todos esses processos são realizados em uma instalação chamada planta de tratamento, cujas características veremos a seguir. Plantas de tratamento de água A planta de tratamento de água é uma instalação na qual a água bruta é submetida a vários processos com o objetivo de eliminar microrganismos e contaminantes físicos e químicos até os limites aceitáveis estipulados pelas normas. Conforme o tipo de processos que os formam, os tratamentos são classificados em plantas de filtração rápida e filtração lenta. De acordo com a tecnologia utilizada, podem ser classificadas em usinas convencionais antigas, usinas convencionais com tecnologia adequada e plantas de tecnologia importada ou patenteada. Além disso, a estação de tratamento deve ser compacta, eficiente e de custos operacionais mínimos. Principais processos empregados no tratamento de água Triagem Nesse processo, os sólidos maiores encontrados na água (galhos, madeira, pedras, plásticos etc.) são removidos por meio de barras, nas quais esses materiais são retidos. Coagulação e floculação A coagulação consiste na adição de coagulantes a fim de desestabilizar as partículas coloidais para que possam ser removidas. Esse processo ocorre em frações de segundos, dependendo da concentração do coagulante e do pH final da mistura. Já a floculação é o processo pelo qual partículas desestabilizadas colidem umas com as outras e se aglomeram, formando flocos. Nesses processos, além da remoção de turbidez e cor, também são eliminados bactérias, vírus, organismos patogênicos que podem ser separados por coagulação, algas e substâncias que produzem sabor e odor em alguns casos. • • • • • Atenção Os processos de coagulação e floculação precisam ser controlados com muito cuidado, pois a eficiência dos decantadores e filtros dependerá dessa fase, uma das mais importantes do tratamento. Nas estações de tratamento, a coagulação ocorre na unidade chamada de mistura rápida, e a floculação é realizadaem floculadores. A mistura rápida é composta por canais Parshall, e é aí que ocorre a injeção do coagulante. Canais Parshall Também chamada de calhas Parshall, são utilizadas em estações de tratamento para medir a vazão de entrada e saída dos líquidos, quando estes estão passando por condutos livres. Em relação aos coagulantes, é aconselhável dar-lhes tempo suficiente para que as partículas do composto se dissolvam. Além disso, são usados auxiliares de coagulação, como polímeros catiônico ou aniônico. Para determinar a dose ideal de coagulante, são realizados testes de jarro (jar tests), que simulam as condições de coagulação e floculação da planta, buscando obter um floco pesado e compacto que possa ser facilmente retido nos decantadores e que não se rompa ao passar pelos filtros. O tamanho do floco produzido é determinado pelo índice de Willcomb, considerando um tempo de sedimentação não inferior a 10 minutos. A jarra com o maior floco, a maior velocidade de sedimentação e a menor turbidez residual é escolhida como a dose ideal. Tipos de coagulante: vantagens e desvantagens Os coagulantes mais utilizados são: sulfato de alumínio, cloreto férrico e sulfato férrico. Sulfato de alumínio O sulfato de alumínio é o coagulante mais utilizado e domina o mercado. De baixo custo e fácil manuseio, esse coagulante não muda quimicamente ao longo do tempo. No entanto, se sua dosagem não for devidamente controlada, a concentração de alumínio residual pode exceder os limites máximos estabelecidos para qualidade da água potável (0,2 mg/L). Além disso, as características da água bruta podem diminuir sua eficiência, o que gera a necessidade de uso de um auxiliar de coagulação, implicando maior custo. Cloreto férrico O substituto do sulfato de alumínio, o cloreto férrico (FeCl3), traz consigo muitas vantagens. No entanto, existem algumas desvantagens que precisam ser analisadas. Primeiramente, tratando-se de benefícios, a utilização de cloreto férrico reduz significativamente a cor, a turvação, a quantidade de sólidos suspensos, a demanda biológica de oxigênio (DBO), além de eliminar fosfatos. Ademais, o FeCl3 neutraliza cargas negativas dos coloides, reage produzindo hidróxidos insolúveis de ferro, possui ampla faixa de pH, sendo que entre 5 e 11, origina bons flocos. Em relação ao ponto de vista econômico, essa substância é inviável para algumas estações de tratamento, pois seu custo é relativamente superior ao do sulfato de alumínio, porém, apresenta mais benefícios se comparado. Sulfato férrico O sulfato férrico não gera alumínio residual e, em alguns casos, produz um floco de sedimentação mais pesado e rápido que o sulfato de alumínio. Pode ainda trabalhar com uma ampla faixa de pH. Por outro lado, o custo atrelado à sua utilização é maior em relação ao do sulfato de alumínio. Também pode produzir cor na água (EARNEST; WESLEY, 1971). Sedimentação A sedimentação é um processo físico por meio do qual partículas mais densas que a água são removidas ou separadas do fluido devido à gravidade, resultando em um fluido clarificado e em uma suspensão mais concentrada. A filtração também é utilizada para remoção de partículas, podendo ser realizada em conjunto com a sedimentação. Esses processos são, portanto, complementares. Entre os fatores que influenciam a sedimentação, podemos citar os seguintes: Qualidade da água (variação na concentração de matéria em suspensão, temperatura da água) Condições hidráulicas Processos anteriores à sedimentação Dependendo do tipo de partícula a ser removido, são utilizadas unidades de sedimentação ou decantação diferentes. Essas unidades são classificadas da seguinte forma: Sedimentadores estáticos Nestas unidades, a sedimentação ocorre normalmente com queda livre. São encontrados os seguintes tipos: Armadilhas de areia Têm como objetivo retirar a areia da água crua, evitando que essas partículas interfiram na operação das bombas e nos processos seguintes. Unidades de fluxo horizontal Podem ser tanques de sedimentação retangular, circular ou quadrada. A remoção do lodo pode ser contínua ou intermitente, com a vantagem de permitir uma implantação mais compacta, embora seu custo seja maior. Unidades de fluxo vertical São unidades de formato cilíndrico. Na parte inferior está localizada na zona de lodos, que têm forma cônica com inclinação de 45° a 60°, dependendo da natureza da água e do tratamento aplicado. A recuperação da água sedimentada é realizada na parte periférica superior da unidade. Unidades de fluxo helicoidal São usadas para tratar água com alto teor de flocos e que possuem alta velocidade de sedimentação. Decantadores dinâmicos Requerem uma alta concentração de partículas para aumentar as possibilidades de contato no manto de lodo, com concentração de partículas de 10 a 20% em volume. Temos os seguintes tipos: • • • Unidades de manto de lodo com suspensão hidráulica A vantagem é que, geralmente, não possuem partes removíveis dentro do tanque nem necessitam de energia elétrica para funcionar. Da mesma forma, é necessário evitar turbulências na entrada de água, uma vez que isso afetaria a manta de lodo. Unidades de manta de lodo com suspensão mecânica Unidades em que a decantação pode ocorrer por meio de agitação, separação e pulsação ou vácuo. Decantadores laminares São aqueles cuja eficiência diminui à medida que a carga superficial nas células aumenta; também depende das características da água tratada e do design do decantador. Temos os seguintes tipos: Decantadores laminares de fluxo horizontal Com placas planas paralelas inclinadas (ângulo de 5°), para obter a inclinação adequada para favorecer a drenagem dos flocos. Decantadores laminares de fluxo inclinado Possui duas seções paralelas (naves) dotadas de uma fileira de módulos formados por chapas de polipropileno corrugado instaladas em um ângulo de 60°. O fluxo de água clarificada em cada armazém é ascendente. Por meio de um sistema de tubos de PVC, a água é transportada até um canal central aberto que separa os armazéns. Cada módulo possui funis de coleta de lodo em sua parte inferior. Esse sistema encurta o caminho de deposição de partículas sólidas e induz o fluxo laminar de água. Filtração Processo por meio do qual são retidas partículas e pequenas quantidades de microrganismos em um meio poroso. Para que atendam aos padrões de qualidade da água potável, os filtros devem ter uma eficiência de remoção bacteriológica superior a 99%. O tamanho das partículas retidas pode variar de flocos de a coloides, bactérias e vírus menores que . Essas partículas são retidas, por peneiramento, nos interstícios do leito. Bactérias cujo tamanho é muito menor que o dos poros devem ser removidas por meio de outros processos. Na filtração, ocorrem as seguintes etapas complementares: Transporte de partículas dentro dos poros É um fenômeno físico e hidráulico que é influenciado por parâmetros que governam a transferência de massa. Os mecanismos que podem ocorrer são: peneiramento, sedimentação, interceptação, difusão, impacto inercial e ação hidrodinâmica. Aderência aos grãos do meio É um fenômeno de ação superficial, que é influenciado por parâmetros físicos e químicos. Os mecanismos que podem ocorrer na adesão são: forças de Van der Waals, forças eletroquímicas e ponte química. As unidades de filtração são classificadas tendo em conta os seguintes parâmetros: Leito filtrante: simples (areia ou antracite) e camas duplas ou múltiplas. Direção do fluxo: descendente, ascendente e ascendente-descendente. Forma de aplicação da carga de água no leito: gravidade e pressão. Forma de controle operacional: taxa constante e nível variável; taxa e nível constante e taxa e nível decrescente. Os fatores que influenciam a filtragem são: Características da suspensão Tipo, tamanho, densidade, dureza e resistência de partículas suspensas (flocos), temperatura da água a ser filtrada e a concentração de partículas suspensas no afluente. Características do meio filtrante Tipo,granulometria, peso específico do material filtrante e espessura da camada filtrante. Características hidráulicas Taxa de filtração, carga hidráulica disponível para filtração, método de controle do filtro e qualidade do efluente. Durante a filtração, os grãos do meio filtrante retêm as partículas até bloquearem o caminho do fluxo, por isso precisam ser lavados periodicamente. A turbidez da água filtrada não deve ser superior a 1 unidade nefelométrica de turbidez (nephelometric turbidity unity / NTU), com uma cor inferior a 5 unidades de cor verdadeira (UCV). No filtro de gravidade com leito de areia, o fluxo é descendente, assim como a taxa. A lavagem desse filtro de areia é feita impedindo a entrada de água nele mesmo, abrindo simultaneamente a comporta de lavagem de modo que, quando o nível de água no interior do filtro cai bruscamente, a água filtrada contida nos canais laterais inverte seu padrão de fluxo por ter um nível mais alto, realizando a retrolavagem que agita o leito de areia e remove as partículas, por meio do canal de lavagem. Após o término da retrolavagem, o portão de lavagem é fechado, e o portão de entrada é aberto para restaurar o processo de filtragem. Desinfecção É o último processo de tratamento de água, que consiste na destruição seletiva de organismos potencialmente infecciosos. Isso significa que nem todos os organismos patogênicos são eliminados nesse processo, por isso, necessitam de processos prévios, como coagulação, sedimentação e filtração, para sua eliminação. Os fatores que influenciam a desinfecção são (BENINI, 2019): Os microrganismos presentes e seu comportamento A natureza e concentração do agente desinfetante A temperatura da água A natureza e qualidade da água O pH da água O tempo de contato A eficácia da desinfecção é medida pela porcentagem de organismos mortos dentro de tempo, temperatura e pH predeterminados. A resistência desses microrganismos varia, sendo as esporas bacterianas as mais • • • • • • • • • • resistentes, seguidas da resistência por cistos de protozoários, vírus entéricos e bactérias vegetativas (coliformes). A presença de sólidos reduz a eficácia da desinfecção porque os organismos associados a esses sólidos podem ser protegidos da ação do agente desinfetante físico ou químico. Os agentes ou produtos químicos mais importantes são cloro, bromo, iodo, ozônio, permanganato de potássio, peróxido de hidrogênio e íons metálicos. Os agentes físicos mais utilizados são os sistemas de coagulação-floculação, sedimentação, filtração, calor, luz e raios ultravioleta. O cloro é o agente desinfetante mais importante; pode ser usado na forma de gás, líquido ou sal (hipoclorito de sódio). É de fácil aplicação, manuseio simples e baixo custo. Em doses adequadas, não produz riscos para o homem ou animais. Seu efeito residual impede que a água seja contaminada nas redes de distribuição. É importante tomar precauções no uso do cloro, devido à formação de trialometanos, considerados potencialmente perigosos. Os trialometanos são considerados compostos carcinogênicos, e sua presença na água deve ser evitada. Curiosidade Levantamentos epidemiológicos relacionando a concentração dos trialometanos com a morbidade e a mortalidade por câncer evidenciaram associações positivas em alguns casos de carcinomas. A sequência de processos considerados no tratamento da água e apresentados nesta seção foram: triagem, coagulação, floculação, sedimentação, filtração e desinfecção. Na desinfecção, é realizada pré-cloração e pós-cloração da água. Vem que eu te explico! Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar. Quais são as características dos processos difusivos? Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Fatores que influenciam a desinfecção Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Verificando o aprendizado Questão 1 Indique a alternativa que representa os processos físicos nos quais as partículas de contaminantes são separadas por gravidade. A Sedimentação B Coagulação C Filtração D Desinfecção E Radiação A alternativa A está correta. Sedimentação é um processo de separação em que a mistura de dois líquidos, ou de um sólido suspenso em um líquido, é deixada em repouso, ou adicionada continuamente em uma unidade de sedimentação em contínuo. A fase mais densa, por ação da gravidade, deposita-se no fundo do recipiente, ou seja, sedimenta. Questão 2 Assinale a alternativa que indica um processo físico de separação de partículas e pequenas quantidades de microrganismos por um meio poroso. A Absorção B Floculação C Filtração D Desinfecção E Convecção A alternativa C está correta. A filtração é um processo físico de separação de misturas heterogêneas do tipo sólido-líquido ou gás- sólido. Como o próprio nome indica, utiliza-se um filtro (um material poroso) para reter as partículas sólidas, separando-as do líquido ou do gás. 3. Concepção de estações de tratamento de esgoto Vamos começar! Parâmetros de projeto de sistemas para tratamento de águas residuais Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Qualidade do tratamento das águas residuais Importância do tratamento adequado O tratamento adequado das águas residuais, juntamente com a capacidade de fornecer um suprimento suficiente de água potável, tornou-se uma grande preocupação para muitas comunidades e um componente da agenda de desenvolvimento sustentável (USEPA, 1999). Os sistemas que garantem que as águas residuais sejam tratadas antes de qualquer descarga em águas naturais receptoras reduzem as ameaças aos ecossistemas e aos serviços que eles fornecem, incluindo a melhoria da qualidade e segurança (e, portanto, a facilidade de uso) da água doce e reduzindo a poluição e a eutrofização em ecossistemas que fornecem alimentos. Esses processos de purificação são realizados em estações de tratamento de efluentes, que consistem em uma sequência de operações e processos unitários que visam eliminar determinado tamanho de partícula, diminuindo seu tamanho à medida que as operações unitárias avançam. A dificuldade do processo aumenta com a diminuição do tamanho das partículas, o que torna as operações unitárias mais complexas no final do sistema de tratamento de águas residuais (STAR) do que no início. Parâmetros indicadores de qualidade O desempenho do tratamento de águas residuais é, geralmente, avaliado medindo a remoção de contaminantes do fluxo de águas residuais. Esses parâmetros definem a qualidade das águas residuais e podem ser divididos em três categorias mais utilizadas para o projeto de estações de tratamento, sendo que a diferença entre eles é: Parâmetros físicos Parâmetros químicos Parâmetros biológicos O parâmetro físico mais importante dos efluentes é o teor de sólidos totais, comumente classificados em totais, sólidos suspensos, dissolvidos e sedimentáveis. Sólidos em suspensão e sólidos decantáveis são dois dos parâmetros sólidos mais utilizados para o projeto de estações de tratamento, sendo que a diferença entre eles é: • • • Outras características físicas a ter em conta na qualidade das águas residuais são a temperatura, turbidez, cor e o odor. Entre os parâmetros químicos utilizados para determinar a qualidade do efluente, estão os seguintes: pH Indicador das condições ácidas ou alcalinas das águas residuais. Uma solução é neutra em pH 7. Os processos de oxidação biológica normalmente tendem a diminuir o pH. Alcalinidade Indicador da capacidade tampão do meio (resistência a variações de pH). Causado pela presença de íons bicarbonato e hidroxila. Oxigênio dissolvido (OD) Necessário para a respiração de microrganismos aeróbicos. Fator indispensável para microrganismos responsáveis pela oxidação biológica da matéria orgânica em sistemas de tratamento de águas residuaisaeróbicas. Demanda bioquímica de oxigênio - DBO Concentração de oxigênio (mg/L) necessária para oxidar a matéria orgânica presente em uma amostra de água, por meio da ação biológica de microrganismos. DBO5 DBO medido em cinco dias e 20◦C. Associado à fração biodegradável de compostos orgânicos carbonáceos. Medição do oxigênio consumido após cinco dias por microrganismos na estabilização bioquímica da matéria orgânica. Demanda química de oxigênio - DQO Representa a quantidade de oxigênio necessária para estabilizar quimicamente a matéria orgânica carbonácea. Use agentes oxidantes fortes em condições ácidas. Sólidos em suspensão São visíveis e flutuam no efluente entre a superfície e o fundo, podendo ser removidos por meios físicos ou mecânicos, por processos de filtração ou sedimentação. Sólidos decantáveis São sólidos em suspensão que, devido ao tamanho e peso, podem se acomodar em até uma hora no cone de Imhoff. Tanque de lodo ativado aerado. Nitrogênio total O nitrogênio é um nutriente importante para o crescimento de microrganismos e essencial para seu crescimento em tratamentos biológicos. O nitrogênio total inclui nitrogênio orgânico, amônia, nitrito e nitrato. Fósforo total O fósforo é um nutriente importante para o crescimento de microrganismos. O fósforo total existe em formas orgânicas e inorgânicas. É um nutriente essencial no tratamento biológico de águas residuais. Gorduras e óleos Relacionado com a descarga no sistema de esgotamento sanitário de água de cozinha ou água de uma indústria. Se forem atingidos níveis muito elevados, é necessário um pré-tratamento especial para desengordurar a água residual. Sistema de lodo ativado Características do sistema de lodo ativado O sistema de lodo ativado continua sendo o processo de tratamento biológico mais usado para reduzir a concentração de poluentes orgânicos em águas residuais. É amplamente utilizado em todo o mundo para tratamento de águas residuais domésticas e industriais, nas situações em que é necessária uma alta qualidade de efluentes e a disponibilidade de espaço é limitada. É um processo de crescimento suspenso, predominantemente aeróbico, que mantém uma alta população de microrganismos ou biomassa. As águas residuais fluem continuamente para um tanque de aeração no qual o ar é injetado para misturar lodo ativado com águas residuais e fornecer oxigênio necessário para que os organismos oxidem compostos orgânicos (KAWAMURA, 1991). A mistura de lodo ativado e efluente no tanque de aeração é chamada de licor misto e consiste em esgoto; microrganismos (vivos e mortos); matérias: inerte coloidal e coloidal biodegradável e não biodegradável. A concentração de biomassa ativa é chamada de sólidos em suspensão voláteis de licor - MLVSS ou SSVLM, e a concentração de biomassa ativa mais os sólidos inertes são chamados de sólidos suspensos em licor misto - MLSS ou SSLM. O licor misto flui do tanque de aeração para um clarificador secundário (decantador), no qual se deposita o lodo ativado. A maior parte do lodo sedimentado é devolvido ao tanque de aeração (lodo de retorno) para manter a população de microrganismos que permitem a rápida decomposição de compostos orgânicos. Como é produzido mais lodo ativado do que o desejável no processo, parte do lodo de retorno é desviado ou desperdiçado para o sistema de gerenciamento de lodo para tratamento e eliminação. Partes integrantes do sistema de lodo ativado As seguintes unidades são partes integrantes e a essência de qualquer sistema de lodo de fluxo contínuo ativado, veja as etapas a seguir: Tanque de aeração (reator) Oorre a oxidação aeróbica da matéria orgânica carbonácea. Os microrganismos responsáveis pela oxidação biológica são mantidos em suspensão, e o oxigênio é fornecido por aeração mecânica ou difusa. O efluente primário que entra na bacia de aeração é misturado com o lodo de retorno ativado do clarificador final para formar o licor misturado no tanque de aeração. Tanque de sedimentação (decantador secundário) Os flocos microbianos (excesso de lodo) produzidos na fase de aeração são separados do efluente tratado. Recirculação de lodo Uma parte do excesso de lodo da decantação é devolvida ao tanque de aeração, para manter uma concentração específica de biomassa no tanque de aeração. A reciclagem dessa parte do excesso de biomassa faz com que o tempo médio de residência celular (tempo de retenção do lodo) seja maior que o tempo de retenção hidráulica, o que permite ao processo manter um grande estoque de microrganismos que oxidam os compostos orgânicos em um tempo relativamente curto. Remoção do excesso de lodo O excesso de lodo é retirado do sistema e vai para a etapa de tratamento de lodo. Classificação e tipos de sistema de lodo ativado Existem variantes do processo de lodo ativado. O principal e mais utilizado pode ser classificado de acordo com as seguintes características (SELENDY, 2011): Idade Dependendo da idade do lodo (ou relação comida/microrganismo - F/M): Lodo ativado convencional (baixa idade do lodo, alta relação F/M) Aeração prolongada (alta idade da lama, baixa relação F/M) Fluxo Dependendo do fluxo: Fluxo contínuo Fluxo intermitente Efluente De acordo com o efluente para o estágio biológico de lodo ativado: Água preta Efluente de um tanque de sedimentação primário Efluente de um reator anaeróbico Efluente de outro processo de tratamento de águas residuais Parâmetros de desenho do sistema de lodo ativado Parâmetros de projeto e operação Existem vários parâmetros que regem o projeto de um sistema de lodo ativado, que determinam a eficiência do sistema, sua configuração espacial, bem como sua operação e manutenções adequadas. Alguns desses parâmetros são descritos a seguir: Necessidade de oxigênio e tipo de aeração O parâmetro mais crítico no processo de digestão aeróbica é o oxigênio dissolvido. A manutenção de concentrações adequadas de oxigênio permite que o processo biológico ocorra e evita odores desagradáveis. Em digestores aeróbicos (reatores), as concentrações de oxigênio dissolvido normalmente variam de 0,5 a 2,0 mg/L. Níveis inadequados de oxigênio dissolvido resultam em digestão incompleta e, portanto, causam problemas de odor. A taxa de uso de oxigênio (consumo) pelos microrganismos depende da taxa de oxidação biológica e é utilizada para determinar o nível de atividade biológica e a destruição de sólidos resultante que ocorre no digestor ou reator. A manutenção dos níveis de oxigênio dissolvido, em torno de 2,0 mg/L no tanque de aeração (reator), permite a presença de microrganismos aeróbios que fixam a matéria orgânica. • • • • • • • • Recomendação Ao projetar um sistema de lodos ativados, deve-se escolher um tipo de aeração, que terá uma série de constantes e parâmetros empíricos diferentes para cada tipo. Da mesma maneira, a forma do tanque de aeração deve garantir a distribuição uniforme do oxigênio, portanto, deve ser projetado levando em consideração a localização dos aeradores. Tempo de retenção de sólidos É chamado de tempo médio de residência celular, tempo de retenção de sólidos ou idade do lodo e é teoricamente definido como o número de dias que um microrganismo permanece no sistema de lodo ativado antes de ser desperdiçado fora do sistema. Outra forma de defini-lo é como a razão entre a massa de lodo biológico presente no reator e a massa de lodo biológico extraída (ou produzida) do sistema de lodo ativado por dia. A maior permanência de sólidos no sistema garante a alta eficiência dos sistemas de lodo ativado, pois a biomassa tem tempo suficiente para metabolizar praticamente toda a matéria orgânica nas águas residuais. O tempo de retenção de sólidos pode ser diferente de acordo com o processo, veja: Processo secundário de lodo ativado Para um processo secundário de lodo ativado que remove apenas DBO, o tempo de retenção é normalmente de um a três dias. Processo de nitrificação Para um processo de nitrificação, o tempo de retenção, geralmente, é de4 a 10 dias. Processo de aeração prolongado Para um processo de aeração prolongado ou prolongado, o tempo de retenção, geralmente, é de 20 dias ou mais. Relação alimento-microrganismo (F/M) É definida como a carga de alimento ou substrato (DBO) fornecida por dia pela unidade de biomassa no reator (representada por SSVLM e expressa como kgBOD / kgSSVLM). Como os microrganismos têm uma capacidade limitada de consumir o substrato (DBO) por unidade de tempo, uma alta relação F/M pode significar uma oferta maior de matéria orgânica biodegradável do que a capacidade de consumo de biomassa no sistema, o que resulta em excesso de substrato no efluente final. Por outro lado, valores baixos de F/M significam que o fornecimento de substrato é menor que a capacidade dos microrganismos de utilizá-lo no sistema de lodo ativado. Como consequência, eles consumirão praticamente toda a matéria orgânica do efluente, bem como seu próprio material orgânico celular. Altas idades de lama estão associadas a baixos valores de F/M e vice-versa. As relações F/M típicas para várias modificações do processo de lodo ativado variam de 0,04 a 2,00 mg/mg (CLARK; HAKIM, 2014). Processo de lodo ativado convencional No processo convencional de lodo ativado, parte da matéria orgânica (suspensa, decantável) do efluente é retirada antes do tanque de aeração, no tanque de decantação primário. Portanto, os sistemas convencionais de lodos ativados têm o tratamento primário como parte integrante de seu fluxograma (decantação primária). No sistema convencional, a idade do lodo é geralmente da ordem de 4 a 10 dias, e a relação F/M fica na faixa de 0,25 a 0,50 kgBOD/kgMLVSS (Kg licor misto de sólidos voláteis em suspensão). O tempo no reator é da ordem de seis a oito horas. Com essa idade do lodo, a biomassa removida do sistema em excesso de lodo ainda requer estabilização. Esses sistemas podem obter eficiências de remoção de DBO na faixa de 85% a 95%. Aeração estendida no processo de lodo ativado Lodo ativado com aeração prolongada é uma variante do processo convencional de lodo ativado. O decantador primário é removido, e um reator de maior capacidade é colocado em seu lugar. Além disso, a aeração é mais intensa. No sistema convencional de lodo ativado, o tempo médio de retenção do lodo no sistema é de 4 a 10 dias. Com essa idade do lodo, a biomassa removida no lodo excedente ainda requer uma etapa de estabilização do lodo. Isso se deve ao alto nível de matéria orgânica biodegradável em sua composição celular. No entanto, se a biomassa for mantida no sistema por um período maior, com idade do lodo em torno de 18 a 30 dias (daí o nome aeração prolongada), e recebendo a mesma carga de DBO do sistema convencional, haverá menos alimento disponível para bactérias (devido ao lodo mais antigo e maior volume do reator), portanto, haverá menos matéria orgânica por unidade de volume do tanque de aeração e por unidade de massa microbiana (GERARDI, 2005). Consequentemente, para sobreviver, as bactérias começam a usar a matéria orgânica de seu material celular no seu metabolismo. Essa matéria orgânica é convertida em dióxido de carbono e água pela respiração, gerando uma estabilização (digestão) da biomassa no tanque de aeração. Enquanto no sistema convencional a estabilização do lodo é realizada separadamente, nos sistemas de aeração prolongada a digestão é realizada simultaneamente com a estabilização de BOD no reator. Como não há necessidade de estabilizar separadamente o excesso de lodo biológico, evita-se a geração de outros tipos de lodo no sistema que requer tratamento adicional. Consequentemente, os sistemas de aeração prolongada, muitas vezes, não possuem tanques de decantação primários. Sistema UASB Características do sistema UASB Os reatores de manta de lodo anaeróbico de fluxo ascendente (UASB) são uma tecnologia adjunta de tratamento biológico de crescimento em que a água residual flui para cima por meio de uma camada de grânulos densos. À medida que as águas residuais fluem pelo manto, os microrganismos anaeróbios ligados aos grânulos degradam os orgânicos, produzindo metano e dióxido de carbono. Da camada de lodo, os gases sobem para a superfície líquida do reator em que são capturados para uso ou descarga. Uma vez que o efluente está acima da camada de lodo, os grânulos são separados por gravidade das águas residuais a granel e redepositados no leito à medida que o efluente clarificado transborda do reator. Um grande problema com o UASB é a formação contínua de grânulos densos. O processo UASB possui um reator anaeróbio na parte inferior que contém a camada de lodo, e acima desta há um separador gás-líquido-sólido (GLS). Na zona GLS, placas de deflexão e capuzes de coleta são usados para capturar o biogás e permitir que os sólidos em suspensão assentem e retornem à zona de deposição. Uma das chaves para uma aplicação UASB bem-sucedida é um projeto GLS eficiente. O gás coletado no topo do reator pode ser ventilado ou queimado para gerar calor ou energia. Recomendação Não é recomendado ventilar o gás diretamente para a atmosfera porque o metano é um poderoso gás de efeito estufa. A queima de biogás requer queimadores especiais e potencialmente tratamento para remover o sulfeto de hidrogênio e outros contaminantes. Os sinos de gás geralmente têm seções transversais triangulares, de modo que as superfícies externas inclinadas criam uma zona de assentamento que aumenta com a distância do topo da zona de digestão (FATTA-KASSINOS; KÜMMERER, 2016). A alimentação é introduzida o mais uniformemente possível pelo fundo da zona de lama e flui verticalmente. Os reatores UASB proporcionam disposição econômica de grandes frações de efluentes orgânicos; mas as remoções não são altas o suficiente para atender os padrões de tratamento secundário. Em termos gerais, a remoção de matéria orgânica carbonácea (DBO, DQO) e SS ocorre com boa eficiência no reator anaeróbio, porém, a remoção de nutrientes e microrganismos patogênicos é mínima, o que justifica a necessidade de implantação de sistemas complementares de tratamento (pós-tratamento) para a maioria das aplicações. Vem que eu te explico! Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar. O que significa DBO e DQO? Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. O que são os processos aeróbios e anaeróbios? Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Verificando o aprendizado Questão 1 Qual é a concentração de oxigênio (mg/L) necessária para oxidar a matéria orgânica presente em uma amostra de água, por meio da ação biológica de microrganismos? A BQO B FCC C DBO D FTY E ODQ A alternativa C está correta. O DBO é um parâmetro que mede a quantidade de dioxigênio consumida pela degradação da matéria orgânica em uma amostra líquida. É o material que pode ser consumido ou oxidado por meios biológicos que contêm uma amostra líquida, dissolvida ou em suspensão. Questão 2 Qual parâmetro representa a quantidade de oxigênio necessária para estabilizar quimicamente a matéria orgânica carbonácea? A BQO B FCC C DQO D FTY E ODQ A alternativa C está correta. A demanda química de oxigênio é um parâmetro que mede a quantidade de substâncias que podem ser oxidadas por meios químicos que são dissolvidas ou suspensas em uma amostra líquida. É usado para medir o grau de contaminação e é expresso em miligramas de oxigênio diatômico por litro. Bueiro de esgoto na rua com a tampa aberta. 4. Rede de recolecção e transporte Vamos começar! Principais características dos sistemas de elevação, interceptores e emissários para sistemas de águas residuais. Assista ao vídeo a seguir para conhecer os principais pontos que serão abordados neste módulo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Características da rede de recolecção e transporte Definição e composição da rede de recolecção e transporte A rede de recolecção e transporte é compostapor todos ou alguns dos seguintes elementos: Rede de esgotos Coletores Interceptores Emissores Estação de tratamento de águas residuais Estações elevatórias Local de descarga ou descarga Obras conexas ou acessórias O destino final do esgoto pode ser um corpo receptor ou o reaproveitamento dele; tudo depende das condições da área e da economia. Assim, o porte das obras de esgoto estará sujeito às condições do projeto, sempre considerando que deve ser construído por estágios. A rede de recolecção e transporte é a parte do sistema de esgoto cuja função é coletar e transportar efluentes domésticos, comerciais e industriais para direcionar os fluxos acumulados para os coletores ou emissores. Essa rede é constituída por um conjunto de condutos pelo qual circulam as águas residuais, iniciando-se na descarga ou esgoto residencial, cujo diâmetro, na maioria dos casos, é de 15cm, sendo este o diâmetro mínimo aceitável. A ligação entre a rede de esgoto e a rede exterior deve ser hermética e direcionada na direção do fluxo de água nas tubulações da rua. A rede de esgotos localiza-se, geralmente, no centro das ruas e recolhe as contribuições das descargas domésticas ou esgotos. O diâmetro mínimo aceito é de 20cm, e seu desenho e sua disposição estão totalmente condicionados pela topografia da zona, devendo respeitar os limites de velocidade máxima e mínima, sem perder de vista que, na maioria dos casos, o funcionamento é por gravidade e, nesse caso, a água funciona como meio de transporte. Para ligar duas seções da rede de drenagem, é utilizada uma estrutura chamada bueiro. Com o objetivo principal de aproveitar ao máximo a capacidade da tubulação utilizada, • • • • • • • • o diâmetro mínimo deve ser considerado no dimensionamento hidráulico dos esgotos, verificando se atende às condições de projeto. O traçado geométrico da rede de esgotos costuma ser feito coincidindo com o eixo longitudinal de cada rua (no centro) e dependerá das curvas de nível. Tipos de traçado geométrico da rede de esgotos Os traçados mais comuns são os seguintes: Traço de baioneta Este é o nome dado ao traço que tem um desenvolvimento em ziguezague ou escada. As vantagens da utilização dessa linha são: permite maior desenvolvimento dos bueiros, podendo controlar melhor as inclinações topográficas, e aumenta o número de descargas, conseguindo melhorar as condições hidráulicas. Geralmente motivado pelo desenvolvimento curto, a capacidade das tubulações é desperdiçada. Em muitas ocasiões, como no início do bueiro há pouca profundidade, para descarregar no duto é necessária a construção de um grande número de bueiros, aumentando assim o custo da construção. Traço em baioneta e traço em pente Esta linha é formada quando existem vários bueiros com tendências paralelas e descarregam seu conteúdo em um tubo de maior diâmetro perpendicular a eles. Algumas das vantagens e desvantagens consideradas para esse tipo de traçado são as seguintes: Garante-se uma contribuição rápida e direta para a tubulação comum de cada coletor, definindo rapidamente o regime hidráulico estabelecido. Há um grande número de valores para as encostas, sendo muito útil quando a topografia é irregular. Pista combinada A linha combinada é a união das duas linhas anteriores, o que é exigido pelas condições topográficas da localidade. Geralmente motivado pelo desenvolvimento curto, a capacidade das tubulações é desperdiçada. Coletores, interceptores e emissores Layout de coletores, interceptores e emissores Essas partes do sistema de esgoto, por questões de economia, devem funcionar como o restante do projeto, por gravidade, e somente em condições muito especiais funcionarão por bombeamento. Para a coleta final de águas residuais de uma localidade, é necessário traçar geometricamente essa série de tubulações configuradas de acordo com: A topografia do local O traçado das ruas O(s) local(is) de descarga A localização das estações de tratamento de águas residuais Em todos esses casos, uma série de alternativas deve ser feita para localizar adequadamente o local das estações de bombeamento (se necessário), bem como das estações de tratamento e analisar essas alternativas com o objetivo de selecionar aquela que for mais adequada técnica e economicamente. Os padrões de curso mais comuns são: • • • • 1Traço perpendicular Essa linha é usada quando uma cidade está localizada ao longo de um córrego e o terreno se inclina suavemente em direção a ele, a melhor maneira de coletar as águas residuais é colocando os canos perpendiculares ao córrego e adicionando um interceptor paralelo ao córrego. 2 Traço radial Essa linha é usada quando as águas residuais saem da cidade radialmente pelos coletores. 3 Traço radial e traço na forma de interceptores Essa linha é usada quando se trata de recolher águas residuais de uma população cujas curvas de nível são mais ou menos paralelas sem grandes desníveis e cujos coletores estão ligados a um interceptor que transporta a água para uma estação de tratamento. 4 Traço em forma de leque Essa linha é usada quando a cidade está em um vale, são utilizadas linhas de tubulação convergentes em direção ao coletor, que está localizado no interior da cidade, gerando uma única tubulação de descarga. Para as profundidades de instalação das tubulações, devem ser considerados: A topografia (traço) Os buffers mínimos (tipo de tubulação) As velocidades máxima e mínima (declives) A escolha da inclinação é feita de forma que a tubulação satisfaça, com o menor diâmetro, a capacidade de condução necessária, sem ultrapassar os limites de profundidade mínima, inclinação e velocidades máxima e mínima. Coletores e emissores O dimensionamento hidráulico dessas partes de um sistema de esgoto é feito da mesma forma que o cálculo da rede de recolecção e transporte. Emissores A finalidade dos emissores é conduzir o fluxo de águas residuais da rede de esgoto, em direção à estação de tratamento e desta até o local de descarga final. Eles funcionam por gravidade ou por pressão, dependendo das condições topográficas da área e do projeto. • • • Emissores. Essa tubagem destina-se a conduzir o caudal máximo extraordinário, na secção compreendida entre o coletor ou coletores até a estação de tratamento e para o fluxo de produção da estação de tratamento até o local de descarga. Os emissores podem ser construídos como canais, desde que carreguem água tratada. Se forem projetados como condutos abertos, todos os fenômenos hidráulicos que ocorrem nesse tipo de conduto devem ser revistos, principalmente o de remanso, para evitar sua influência em estruturas construídas a montante e evitar possíveis transbordamentos de águas residuais que provoquem contaminação do terreno. Caso o emissor trabalhe sob pressão, seu diâmetro será calculado pelo procedimento de diâmetro econômico, devendo também ser considerados fenômenos transitórios para dimensionar a proteção das tubulações. Se o perfil por onde passa o tubo for muito irregular, será conveniente colocar válvulas de admissão e expulsão de ar nas cristas. Local de despejo Aspectos a considerar no projeto da estrutura de descarga Para a disposição final ou o descarte de efluentes, é necessário considerar uma estrutura de descarga, cujas características vão depender do local escolhido, da vazão de descarga, do tipo de condução (canal ou tubulação) entre outras particularidades. Essa estrutura pode descarregar os resíduos que conduzem o emissor para um corpo d'água (rio, lago, mar), poço de absorção, irrigação etc. e pode ser à pressão atmosférica ou na forma submersa. Em todos os casos mencionados, é requisito essencial que a água seja tratada, mesmo que a construção da estação de tratamento seja programada e realizada posteriormente. Conforme mencionamos, o descarte final do efluente que leva ao esgoto sanitário será realizado após o seu tratamento, portanto o dimensionamento dessa estrutura será considerado para o custo de produção da estação de tratamento.Caso a construção da usina esteja programada no futuro, o custo de projeto da estrutura de descarga será o custo máximo extraordinário. Para o projeto, é necessário considerar o seguinte: Localização adequada do local de descarga, garantindo que esteja o mais afastado possível da área urbana. Caso a descarga seja feita para uma corrente de água superficial, podem ser consideradas uma ou várias saídas em diferentes níveis de acordo com a flutuação da profundidade do rio, sempre a jusante da localidade, e verificando o aproveitamento da água desta corrente. A disposição final dos efluentes pode ser feita de diversas formas, sendo as mais comuns as seguintes: Tipos de descarga de efluentes Como tipo de descarga temos: • • Descarga em correntes de superfície Rios e córregos têm sido utilizados como principal local de descarga, mesmo quando a água residual não foi tratada, causando a contaminação das correntes superficiais. Para tentar evitar o exposto, é importante conhecer os usos que se fazem da corrente a jusante, de modo a determinar o tipo de tratamento que deve ser realizado nas águas residuais. Para o projeto da estrutura de descarga, deve-se considerar o seguinte: Despesas mínimas e máximas de águas residuais a serem descarregadas. Seções topográficas (transversais) na área de descarga, indicando os níveis mínimo, máximo normal e máximo extraordinário de água, o que será feito em um trecho reto da corrente. Características geotécnicas do canal. Elevação do quadro de funcionários do emissor. Descarga em terra Feita para utilização das águas residuais tratadas para irrigação de culturas (terras agrícolas) ou recarga de aquíferos. As informações necessárias para poder dimensionar esse tipo de descarga são as seguintes: Despesa mínima e máxima de águas residuais. Tipo de solo. Permeabilidade do solo e facilidade de drenagem. Elevação do lençol freático. Topografia do terreno e área do emissor. Se a tubulação for usada no emissor, o gabarito deve ser o mais raso possível, e uma descarga por gravidade deve ser tentada. Cuidados especiais devem ser tomados se esse tipo de descarga for utilizado para irrigação de hortaliças, caso em que a água residual deve ser devidamente tratada para não contaminar as hortaliças cultivadas. Descarga no mar Nas cidades costeiras, o mar é utilizado como corpo receptor de águas residuais. Para isso, é necessário colocar uma tubulação (emissor marinho) cujo comprimento deve ser grande o suficiente para evitar que as marés retornem a água contaminada para as praias. Também é necessário estudar as correntes marinhas para evitar o que já foi exposto. • • • • • • • • • Descarga em lagos e lagoas Esse tipo não é recomendado, pois o corpo receptor é vedado. Se utilizado, a água residual deve ser previamente tratada, de acordo com o uso dado ao corpo receptor e a descarga deve ser afogada, o que logicamente aumenta o custo do canteiro de obras. Descarga de água subterrânea As águas residuais também podem ser usadas para recarregar aquíferos, o que pode ser feito por meio da utilização de poços de absorção ou bombeados para aquíferos. Para isso, é fundamental a realização de estudos geo-hidrológicos e considerar o tratamento adequado da água para evitar a contaminação das águas subterrâneas. Obras conexas Tipos de obras conexas As obras conexas ou acessórias exigidas por um sistema de esgotamento sanitário são necessárias para melhor funcionamento. Algumas delas são brevemente descritas a seguir. Descarga doméstica A descarga domiciliar, também conhecida como esgoto, é uma tubulação, com diâmetro, geralmente, de 15cm pelo menos, que despeja o esgoto das casas para a rede de esgotos. Sua ligação ao esgoto deve ser hermética e sua união é feita por meio de peças especiais que canalizam a água de descarga no sentido do fluxo de água no esgoto. Câmaras de visita As câmaras de visita são estruturas que desempenham diversas funções em um sistema de esgoto e que são: mudança de direção, mudança de diâmetro da tubulação, mudança de inclinação, como estrutura de limpeza, inspeção, ventilação e união de diversas tubulações. Eles são feitos de materiais diferentes e devem ser herméticos para evitar que a água residual escape para o solo, bem como a água subterrânea entre as tubulações. As câmaras de visita são classificadas em: poços comuns, poços especiais, poços de queda ou poços de caixa. Poços comuns e especiais Os bueiros têm formato cilíndrico e troncocônico, são largos para que as pessoas possam entrar para realizar trabalhos de manutenção e devem ter meio-fio de concreto ou ferro e tampa. A classificação de comum ou especial deve-se ao diâmetro do tubo. Na parte inferior, devem ter uma meia volta (canal) para canalizar o fluxo de águas residuais. Uma escada marítima é colocada para que o pessoal de operação e manutenção possa descer para realizar seu trabalho. Poços de caixa Os poços de caixa são constituídos por uma caixa de betão armado e uma chaminé de tijolo. Essas estruturas são utilizadas para diâmetros superiores a 76cm. Poços de queda Devido às situações topográficas altimétricas que a localidade apresenta, por vezes, é necessário construir estruturas especiais que permitam mudanças bruscas de nível no interior. Esses elementos são chamados de estruturas de queda e são classificados como: Queda livre: gotas de até 40cm podem ser feitas sem usar nenhuma estrutura especial. Poços com queda contígua: são caixas de visita ou poços comuns ou especiais aos quais é construída lateralmente uma estrutura que permite uma queda de até 2m em tubulações de 20cm e 25cm. Poços em queda: esses poços, nos quais uma diferença de altura de até 1,5m, pode ser transposto para diâmetros entre 30cm e 76cm, são construídos com uma caixa e uma chaminé e uma tela defletora é colocada no interior para amortecer a queda de água. Vem que eu te explico! Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar. O que são emissores? Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. O que significa local de aterro? Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Verificando o aprendizado Questão 1 Qual é o sistema de transporte de efluentes cuja função é direcionar os fluxos de efluentes? A Rede hidráulica B Rede de esgoto C Rede de recolecção e transporte D Rede pneumática E Rede de trocadores A alternativa C está correta. Por meio da rede de recolecção e transporte, os efluentes são transportados até os coletores, responsáveis por direcionar o fluxo acumulado até o seu destino final, para tratamento. Questão 2 Quais são as caixas com uma estrutura lateral que permite a queda em tubulações? A Poços com queda contígua B Poços especiais C Poços artesãos D Poços horizontais E Poços industriais A alternativa A está correta. Os poços com queda contígua são estruturas especiais (caixas de visita, poços comuns ou especiais), utilizadas quando há necessidade de uma mudança brusca de nível no sistema de esgoto, possibilitando uma queda de até 2m em tubulações de 20 e 25cm. 5. Conclusão Considerações finais O constante crescimento das comunidades e o consequente aumento da poluição por efluentes nos levam à necessidade de implantação de serviços de tratamento de águas residuais para novos empreendimentos. Dependendo do seu uso, essas águas residuais podem ser tratadas no local onde são geradas (por exemplo, caixas de gordura ou outros meios de purificação) ou podem ser coletadas e levadas, por meio de uma rede de tubulações, a uma estação de tratamento municipal ou zonal. O tratamento de efluentes consiste na remoção de contaminantes físicos, químicos e biológicos presentes na água do efluente de uso humano, geralmente, contaminantes provenientes de processos industriais, os quais requerem tratamento especializado. Sendo assim, quando da realização de um projeto que vise à construção de um sistema de tratamento de águas, é