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Pós-graduação lato-sensu em Saneamento e Meio Ambiente
Disciplina: Qualidade das águas e tratamento de esgotos – fundamentos básicos
14/04/2007
Prof. Luís Fernando Rossi Léo
Qualidade das águas e tratamento de esgotos – fundamentos básicos
Revisão Química Usos da água Parâmetros e requisitos de qualidade das águas Poluição das águas Caracterização dos esgotos domésticos Níveis, processos e sistemas de tratamento de
esgotos domésticos Fundamentos do tratamento biológico de esgotos
domésticos
Revisão Química Exemplos de íons de interesse nos estudos de controle da
qualidade de águas:
CÁTIONS
• FERRO: Fe+2 (íon ferroso), Fe+3 (íon férrico)
• MANGANÊS: Mn+2 (íon Manganoso), Mn+4 (íon mangânico)
• METAIS ALCALINOS: Na+ (sódio), K+ (potássio)
• METAIS ALCALINO-TERROSOS: Ca+2 (cálcio), Mg+2 (magnésio)
• METAIS PESADOS: Cr+6 (cromo hexavalente), Cr+3 (cromo trivalente), Zn+2 (zinco),Pb+2 (chumbo), Cd+2 (cádmio), Hg+2 (íon mercúrico), Ba+2 (bário), Cu+2 (cobre), Ni+2 (níquel), Sn+2 (estanho), Al+3 (alumínio).
Revisão Química Exemplos de íons de interesse nos estudos de
controle da qualidade de águas:
ÂNIONS:
• MONOVALENTES: NO3- (nitrato), F- (fluoreto), Cl- (cloreto), OCl- (hipoclorito) , MnO4
-1 (permanganato)
• BIVALENTES: CO3-2 (carbonato), SO4
-2 (sulfato), S-2 (sulfeto), CrO4
-2 (cromato),Cr2O7-2 (dicromato)
• TRIVALENTE: PO4-3 (fosfato)
Revisão Química Funções químicas Chama-se função química a um conjunto de compostos que
possuem propriedades químicas semelhantes. Na química inorgânica existem as seguintesprincipais funções químicas: ácidos, bases, sais e óxidos.
Segundo Arrhenius, ácido é toda espécie química (molécula ou íon) que cede prótons (íons H+) em uma reação química, qualquer que seja o meio.
ÁCIDO + BASE → SAL + ÁGUA Exemplos:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O
H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O
Revisão Química Funções químicas Oxidação e Redução
A oxidação consiste, essencialmente, no aumento do número de oxidação ou perda de elétrons, e redução significa redução no número de oxidação ou ganho de elétrons. Por tratar-se de um problema de transferência de elétrons, sempre que um elemento é oxidado, um outro é reduzido. Não há oxidação sem redução. A substância que contém o elemento que é oxidado é chamada agente redutor, uma vez que é responsável pela redução do outro elemento. De forma inversa, uma substância que causa aumento de valência é chamada agente oxidante e contém o elemento que é reduzido.
Reações
CO2 + H2O+ Luz C6H12O6
C6H12O6 + O2 CO2 + H2O + energia
Revisão Química Funções químicas Oxidação e Redução
Exemplo:Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O
Nox: 0 6 2 6 4Elemento oxidado: CuElemento reduzido: SAgente oxidante: H2SO4
Agente redutor: Cu
Aplicações:- Tratamento de esgotos- Análises laboratoriais
Revisão Química
Revisão Química Mistura de soluções O princípio básico da mistura é que a quantidade de soluto
da solução final é igual à soma das quantidades de soluto das soluções iniciais. Expressando-se a quantidade do soluto em massa, por exemplo, pode ser escrito que:
índices A e B: soluções iniciaisíndice M: solução final (mistura)C: concentração em mg/L ou g/L
Revisão Química Mistura de soluções Generalizando-se para a mistura de n soluções de mesmo
soluto, temos:
EXERCÍCIO: Um córrego poluído de vazão igual a 5 L/s, DBO igual a 50 mg/L e concentração de oxigênio dissolvido igual a 2 mg/L, descarrega suas águas em rio de vazão igual a 45 L/s, DBO igual a 5 mg/L e oxigênio dissolvido igual a 6,5 mg/L. Supondo-se que a 50m a jusante a mistura já tenha sido completada, quais as características das águas do rio nesse ponto?
Variáveis Indicadoras da Qualidade das Águas
As variáveis indicadoras da qualidade da água são necessárias pois: Ela em capacidade de dissolver as
substâncias com as quais entra em contato; Para cada uso específico da água, é
necessário que esta atenda a determinados requisitos de qualidade.
Assim sendo forma definidos uma série de indicadores para definir a sua qualidade.
Indicadores Físicos
Cor característica resultante da presença de substâncias dissolvidas na água, na maioria dos casos orgânicas;
Turbidez refere-se a capacidade de desviar os raios luminosos, que é devida à presença de material em suspensão na água, partículas finamente divididas, colóides ou organismo microscópicos;
Sabor e Odor são associados à presença de poluentes industriais ou outras substâncias indesejáveis.
Indicadores Químicos
São resultantes da presença de substâncias químicas dissolvidas, que só podem ser quantificadas por métodos analíticos específicos;
Dentre os principais parâmetros considerados para a qualidade da água destacam-se: Salinidade, dureza, alcalinidade,
corrosividade, compostos orgânicos e inorgânicos e Radioatividade.
Indicadores Biológicos
Referem-se aos organismos que podem ser encontrados na água, sejam os naturalmente encontrados, ou aqueles introduzidos;
Dentre os organismos que podem ser encontrados na água destacam-se: Algas tem papel fundamental no equilíbrio do meio
aquático, mas também podem trazer problemas; Microrganismos patogênicos introduzidos na água
juntamente com material fecal.
A Água para o Desenvolvimento das Atividades Humanas
Abastecimento Humano; Uso Industrial; Irrigação; Aqüicultura; Geração de Energia Elétrica; Transporte; Recreação e paisagismo; Preservação da Fauna e Flora; Assimilação e transporte de poluentes.
Abastecimento Humano
É o uso que apresenta prioridade sobre os demais;
A água deve apresentar padrões de qualidade que garantam a proteção da saúde e o bem estar dos consumidores (Deve ser potável);
Os padrões de qualidade são estabelecidos em norma (Portaria MS n° 518, de 2004);
Cada pessoa necessita, em média, 2,5 L de água por dia, para as atividades metabólicas;
A média de consumo de água para uso doméstico no estado de São Paulo é deaproximadamente 280 L/d.hab;
Padrões de Qualidade da Água para Consumo Humano
Parâmetros Microbiológicos
Parâmetros Físicos Parâmetros Químicos
Escherichia Coli
Ausente Turbidez < 1 uT Nitrato < 10 mg/L
Coliformes Totais
Ausentes Cor < 15 uH Fluoreto < 1,5 mg/L
Bactéria Heterotróficas
500 UFC Odor Não Objetável
Trihalo-metanos
< 0,1 mg/L
Cloro Residual 0,2 mg/L Sabor Não Objetável
Mercúrio < 0,001 mg/L
Uso Industrial
Na indústria a água pode ser utilizada como: Matéria-prima a mesma é incorporada ao produto
final; Indústria de alimentos, bebidas e farmacêutica;
Produto auxiliar participa no processo de produção mas não é incorporada ao produto final;
Preparação de reagentes, operações de aquecimento e resfriamento, lavagem de peças e equipamentos e fluído de transporte.
Os padrões de qualidade variam de acordo com a aplicação.
O consumo de água para uso industrial em São Paulo é de aproximadamente 330.000 m3/h
Padrões de Qualidade de Água para Uso Industrial
Indústria Eletrônica Indústria Farmacêutica *
Sílica 5 g/L pH 5 - 7
Sódio 0,5 g/L Condutividade < 1,3 S/cm
Cloreto 1,0 g/L COT 500 ppb
Resistividade 18 x 106 Ohm.cm
Bactérias < 100 UFC
* Água para uso geral e algumas formulações
Irrigação
Depois do uso para fins potáveis é o mais antigo e importante uso da água;
O objetivo da irrigação é o de melhorar a produtividade agrícola;
O volume de água consumido para a irrigação é função da cultura que se deseja irrigar;
Os padrões de qualidade devem garantir o desenvolvimento das culturas e a saúde dos agricultores e consumidores;
Em São Paulo o consumo de água para a irrigação é de, aproximadamente, 575.252 m3/h;
Padrões de Qualidade da Água para Irrigação
Parâmetros Microbiológicos Parâmetros Químicos
Culturas Ingeridas Cruas
Ovos de Helmintos < 1 /100 mL Salinidade
< 2 g/L(< 0,5 g/L irrestrito)(0,5 a 1 g/L restrito)(> 1,0 g/L plantas tolerantes)
Coliformes Fecais< 1000/100 mL
Cereais e Culturas Industriais
Ovos de Helmintos < 1 /100 mL
pH 6~8
Não há padrão recomendado
Fluoreto 1 mg/L
Distribuição do Consumo de Água no Brasil
5,4%14,0% 17,9%
62,7%
Consumo Humano Irrigação Uso Industrial Consumo Animal
Fonte: A evolução da gestão dos Recursos Hídricos no Brasil. ANA, março de 2002
Enquadramento ou Classificação dos Corpos D’Água
Em função das variáveis de controle da qualidade da água, a mesma é enquadrada em categorias distintas, as quais definem os usos preponderantes da mesma;
O enquadramento dos corpos d’água é feito por meio de normas;
Enquadramento ou Classificação dos Corpos D’Água
No Brasil, os corpos d’água são classificados por norma federal ou estaduais, dependendo do domínio sobre o corpo d’água;
Caso existam normas estaduais de classificação, estas deverão ser, no mínimo, equivalentes à norma federal.
Norma Federal para Classificação dos Corpos d’água
A principal norma Nacional para Classificação dos corpos d’água é a Resolução CONAMA n° 357, de 17/03/2005 (Revisão da CONAMA 20, de 1986);
Na Resolução CONAMA n° 357, as águas do território nacional são divididas em 13 classes distintas:
Classe especial, classes 1, 2, 3 e 4, para águas doces, cuja concentração de sais dissolvidos é de até 0,5 g/L;
Classe especial, classes 1, 2 e 3 para águas salinas, cuja concentração de sais é superior a 30 g/L;
Classe especial, classes 1, 2 e 3 para águas salobras, cuja concentração de sais está entre 0,5 e 30 g/L;
Classe Usos Preponderantes
Especial
- Abastecimento doméstico ou com simples desinfecção;- Preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas.- Preservação dos ambientes aquáticos em unidades de conservação de proteção integral.
1
- Abastecimento doméstico após tratamento simplificado;- Proteção de comunidades aquáticas;- Recreação de contato primário (Res. CONAMA nº 274,de 2000)- Irrigação de hortaliças e de frutas que se desenvolvem rentes ao solo;- Proteção das comunidades aquáticas em Terras Indígenas
2
- Abastecimento doméstico após tratamento convencional;- Proteção das comunidades aquáticas;- Recreação de contato primário (Res. CONAMA nº 274,de 2000)- Irrigação de hortaliças, plantas frutíferas e de parques, jardins, campos de esporte e lazer, com os quais o público possa vir a
ter contato direto; e - Aqüicultura e à atividade de pesca.
Resolução CONAMA 357 – Classes de Enquadramento de Águas Doces
Resolução CONAMA 357 – Classes de Enquadramento de Águas Doces
3
-Abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional ou avançado;-Irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras;-Pesca amadora;-Recreação de contato secundário; e-Dessedentação de animais.
4- Navegação;- Harmonia paisagística;
Classe Usos Preponderantes
Norma Estadual para Classificação dos Corpos d´água
No Estado de São Paulo a Classificação dos corpos d’água é feita pelo Decreton° 8.468, de 08/09/1976;
Neste decreto as águas doces de domínio do Estado são classificadas em quatro classes distintas;
Esta classificação também é feita com base nos usos preponderantes.
Classe Principais Usos
Classe 1 Águas destinadas ao abastecimento doméstico sem tratamento prévio ou com simples desinfecção.
Classe 2 Águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento convencional, à irrigação de hortaliças ou plantas frutíferas e à recreação de contato primário (natação, esqui aquático, e mergulho.
Classe 3 Águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento convencional, à preservação de peixes em geral e de outros elementos da fauna e da flora e à dessedentação de animais.
Classe 4 Águas destinadas ao abastecimento doméstico após o tratamento avançado, ou à navegação comercial, à harmonia paisagística, ao abastecimento industrial, à irrigação e a usos menos exigentes.
Qualidade de Água
A água dos mananciais superficiais e demais córregos, rios, lagos, etc, é avaliada no Estado de São Paulo pela CETESB através do Índice de Qualidade da Água (IQA).
O IQA é calculado através de uma média harmônica de um conjunto de indicadores específicos.
Os indicadores são obtidos através de análises laboratoriais.
Para cada indicador, através de gráficos, são determinados valores de parâmetro entre 0 e 100.
Qualidade de Água – Mananciais
O cálculo é feito pela fórmula:
Onde:IQA = índice de qualidade da águaqi = valor de parâmetro wi = peso atribuido a cada parâmetroN = número de parãmetros avaliados
N
i
wiiqIQA
1
EXERCÍCIO
Calcule o IQA de uma amostra de água que apresentou os seguintes resultados quando analisada em laboratório:
- Coli Fecal = 103 / 100 mL
- pH = 6- Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) = 7 mg/L- Nitrogênio total = 20 mg/L- Fosfato total = 3 mg/L- Temperatura = 5 graus de afastamento- Turbidez = 20 UFT- Resíduo total = 250 mg/L- Oxigênio dissolvido (OD) = 90 % do OD de saturação
Definição de poluição
“ é uma alteração indesejável nas características físicas, químicas ou biológicas
da atmosfera, litosfera ou hidrosfera, que cause ou possa causar prejuízo à saúde, à sobrevivência ou às atividades dos seres
humanos e outras espécies ou ainda deteriorar materiais. O conceito de poluição
deve estar associado às atividades humanas e suas intervenções no ambiente”
O Processo de Poluição das Águas
A poluição das águas é resultado da associação entre os seguintes fatores: Usos múltiplos; Capacidade de dissolver as
substâncias com as quais entra em contato;
Ausência ou ineficácia de sistemas de tratamento de esgotos e efluentes;
Lançamento indevido ou deliberado de poluentes nos corpos d’água.
Exemplo de Poluição PontualExemplo de Poluição Pontual
Estação de tratamento de esgoto lança os Estação de tratamento de esgoto lança os efluentes tratados para os corpos d’águaefluentes tratados para os corpos d’água
Exemplo de Fonte Fixa de PoluiçãoExemplo de Fonte Fixa de Poluição
Exemplos de Poluição Difusa dos Corpos D’águaExemplos de Poluição Difusa dos Corpos D’água
Derramamento de Petróleo no Alaska (Exxon Valdez)Derramamento de Petróleo no Alaska (Exxon Valdez)
Evolução dos Problemas de Poluição das Águas
As primeiras preocupações com a poluição das águas estavam diretamente associados aos esgotos domésticos;
Juntamente com o desenvolvimento industrial outros problemas passaram a ser verificados: Nutrientes; Metais pesados; Micropoluentes orgânicos.
Substâncias Químicas que Apresentam Risco à Saúde
Inorgânicas Orgânicas
Antimônio 0,005 mg/L Acrilamida 0,5 g/L
Arsênio 0,01 mg/L Benzeno 5 g/L
Bário 0,7 mg/L Benzo[a]pireno 0,7 g/L
Cádmio 0,005 mg/L Cloreto de Vinila 5 g/L
Cianeto 0,07 mg/L 1,2 Dicloroetano 10 g/L
Chumbo 0,01 mg/L 1,1 Dicloroeteno 30 g/L
Cobre 2 mg/L Diclorometano 20 g/L
Cromo 0,05 mg/L Estireno 20 g/L
Fluoreto 1,5 mg/L Tetracloreto de Carbono
2 g/L
Mercúrio 0,001 mg/L Tetracloroeteno 40 g/L
Nitrato (N) 10 mg/L Triclorobenzenos 20 g/L
Nitrito (N) 1 mg/L Tricloroeteno 70 g/L
Selênio 0,01 mg/L
Características dos esgotos domésticos
Principais Poluentes e seus Efeitos
Agentes Infecciosos: Referem-se aos organismos patogênicos
capazes de provocar doenças; Estes organismos atingem os corpos d’água
por meio dos esgotos, ou então, águas de drenagem;
Os agentes infecciosos incluem: Vírus, bactérias e protozoários.
A contaminação do Homem pode se dar de duas maneiras distintas: Ingestão ou uso de água contaminada; Transmissão por vetores.
Doenças Provocadas por Organismos Patogênicos
DoençaTipo de
OrganismoSintomas e Comentários
Cólera Bactéria
Vômitos, diarréia e desidratação. Pode levar à morte se não tratada. Contaminação primária de origem aquática e secundária através de contato com alimentos e moscas
Febre Tifóide
Bactéria
Vômitos severos, diarréia, inflamação intestinal e aumento do baço. Pode ser fatal se não tratada. Transmitida pela água ou alimentos contaminados.
Hepatite Infecciosa
Vírus
Amarelamento da pele, aumento do fígado, vômitos e dores abdominais. Freqüentemente, causa danos permanentes ao fígado. Transmitida através da água e alimentos.
EsquistossomoseEsquistossomose
Principais Poluentes e seus Efeitos
Substâncias Consumidoras de Oxigênio: São compostos orgânicos biodegradáveis que atingem os
corpos d’água, principalmente pelo lançamento de esgotos domésticos;
Havendo oxigênio dissolvido no corpo receptor as bactérias aeróbias irão degradar a matéria orgânica;
Se a quantidade de matéria orgânica exigir uma demanda de oxigênio maior que a capacidade de reposição haverá o esgotamento do oxigênio;
Como resultado da redução do oxigênio ocorrerá a morte dos organismos aquáticos que dependem do mesmo;
Neste caso o sistema pode se tornar anaeróbio, resultando na liberação de gases como metano e sulfídrico, este responsável pelo odor desagradável.
Principais Poluentes e seus Efeitos
Nutrientes: Nutrientes são os compostos utilizados no processo
de crescimento das plantas terrestres e aquáticas; Os nutrientes que despertam maior interesse são o
nitrogênio e, principalmente, o fósforo; No meio aquático eles conduzem à proliferação das
plantas aquáticas (eutrofização); A eutrofização pode comprometer o uso da água para
consumo, recreação, pesca, etc.; Com o aumento da biomassa no sistema aquático
pode ocorrer a redução da concentração de oxigênio dissolvido.
Processo de Eutrofização Processo de Eutrofização de uma Lagoade uma Lagoa
Tratamento dos Esgotos Domésticos
No caso dos esgotos domésticos são considerados como principais poluentes as substâncias consumidoras de oxigênio e os nutrientes;
O processo de tratamento baseia-se no processo natural de autodepuração dos corpos d’água;
A presença de detritos e materiais flutuantes implica na utilização de processos preliminares, visando a remoção dos mesmos.
Etapas do Tratamento de Esgotos
Tratamento preliminar: Visa a remoção de sólidos grosseiros e
demais substâncias que podem danificar ou comprometer a operação dos componentes da estação;
Gradeamento; Caixa de areia; Separador de óleos e graxas.
Etapas do Tratamento de Esgotos Tratamento Primário:
Processos físicos para separação de partículas em suspensão e processos utilizados para tratamento e condicionamento do lodo gerado;
Decantação remove partículas por meio da sedimentação das mesmas;
Flotação: partículas menos densas que a água ou com baixa
velocidade de sedimentação são removidas na superfície do líquido;
Geralmente utiliza-se ar dissolvido para acelerar o processo de separação.
Digestão e secagem do lodo.
Etapas do Tratamento de Esgotos
Tratamento Secundário: É utilizado para degradar a matéria
orgânica presente nos esgotos; Reatores Anaeróbios; Filtração Biológica; Lodos ativados; Lagoas aeradas; Valos de oxidação; Lagoas de estabilização.
Etapas do Tratamento de Esgotos
Tratamento Avançado ou Terciário: São utilizados para a remoção de
contaminantes que não são afetados pelos sistemas anteriores;
Remoção de nutrientes; Remoção de compostos orgânicos complexos
e outros contaminantes;
Eficiência dos Processos de Tratamento
Unidade de Tratamento
Eficiência de Remoção (%)DBO SS Bactérias Coliformes
Grade de Crivos Finos 5 – 10 5 – 20 10 – 20 --x--
Cloração de Esgoto Bruto ou Decantado
15 – 30 --x-- 90 – 95 --x--
Decantadores 25 – 40 40 – 70 25 – 75 40 – 60
Filtros Biológicos 65 – 90 65 – 92 70 – 90 80 - 90
Lodos Ativados 75 – 95 85 – 95 90 – 98 --x--
Cloração de Efluentes Biológicos
--x-- --x-- 98 – 99 100
Lagoas de Estabilização 90 --x-- 99 99
Fonte: Jordão, E.P.; Pessoa, C.A., Tratamento de Esgotos Domésticos. 3° edição, ABES. 1995.
Fundamentos do tratamento biológico de esgotos
Bactérias+ MOB
NovasBactérias
CO2 + H2O +Res. ñ Biodeg.
N + PSíntese
Respiração Produtos Finais da Respiração
RespiraçãoEndógena
Metabolismo Bacteriano = Anabolismo (Síntese) + Catabolismo (Resp.)
Aeróbio = presença de Oxigênio Livre
Anóxico = presença de Oxigênio disponível na forma de NO3-
Anaeróbio = ausência de Oxigênio nas formas anteriores
Energia no processo aeróbio
Energia
2/3Síntese
Respiração 1/3
= Grande geração de lodo
MOB + O2 → CO2 + H2O +... + 3,3 Kcal/gDQO
Energia no processo anaeróbio
Energia
3,5 a 5%Síntese
Respiração 95% ou mais
= Pequena geração de lodo
MOB → CH4 + CO2 + H2S +... + 0,3 Kcal/gDQO
Energia livre liberada e transferência de elétrons
Substância Kcal/mol Kcal/gDQO Nº Elétrons
Ácido Oxálico 82 5,13 1
Ácido Fórmico 68 4,29 2
Glicose 686 3,57 4
Ácido Lático 326 3,39 4
Glicerina 387 3,45 4 2/3
Fenol 723 3,22 4 2/3
Etileno Glicol 281 3,51 5
Benzeno 761 3,17 5
Ácido Palmítico 2338 3,18 5 3/4
Ciclohexano 901 3,12 6
Etanol 312 3,25 6
Metanol 165 3,44 6
Metano 191 2,98 8
Composição química das bactérias
Bactéria = C H O N P S + Ca + Mg + ...
10 a 12 % 2,5 %
N e P = fatores limitantes de crescimento bacterianoDemais elementos = quase sempre suficientes
Relação DBO:N:P = 100:5:1 – equilíbrio p/ crescimento
FIM
Prof. Luís Fernando Rossi Léo
[email protected]@poli.usp.br
(14) 3533 3210 – UNILINS(14) 9621 1787
