Tratamento de Efluentes Líquidos e Sólidos

Primeira Parte

A população brasileira obtém água bruta principalmente por meio

de origens superficiais, ou seja, rios e lagos, tratada para tornar-se

adequada ao abastecimento, realizado por uma rede de distribuição.

Com o consumo, há uma alteração nas características da água e

esta passa a ser denominada água servida. Esta água tem grande

potencial degradante, que afetará diretamente a qualidade do corpo

receptor.

Os esgotos, ou águas residuárias são constituídos de

substâncias, materiais e organismos; o potencial de contaminação

destes é elevado, de sorte que são construídos sistemas de coleta a

fim de que se promova seu afastamento das áreas de consumo.

Estes sistemas podem ser:

Unitário: as águas servidas e as águas pluviais são conduzidas

a um único coletor. Os inconvenientes deste sistema são a

utilização de condutos de grande dimensão (vazões bastante

elevadas durante chuvas intensas), investimento simultâneo

elevado, risco de assoreamento das tubulações e,

principalmente, não há controle da poluição eficiente.

Separador parcial: neste sistema, são encaminhadas as águas

servidas e a parcela das águas pluviais oriundas das

edificações (ralos, telhados etc.). Embora as canalizações

possam ser de menor dimensão, ainda há muitos dos

inconvenientes apontados anteriormente.

Separador absoluto: somente são conduzidas aos coletores as

águas servidas. As principais vantagens são a presença de

vazões bem menores, com pequenas variações de amplitude durante

o dia; disto implica a construção de canalizações de menores

dimensões e projetos de estações de tratamento mais eficazes.

Este sistema possibilita total controle da poluição de águas

superficiais.

Este é o sistema utilizado no Brasil, ainda que a presença de

lançamentos clandestinos e má conservação dos tampões de visitação

permitam que grandes vazões de águas pluviais sejam dirigidas às

tubulações impeça um melhor desempenho das estações de tratamento de

esgoto existentes.

De acordo com os usos da água, ainda há a classificação dos

esgotos em quatro tipos principais:

Domésticos (ou sanitários);

Industriais;

Pluviais;

Lodo das estações de tratamento.

O esgoto doméstico resulta da utilização da água em residências

em quaisquer atividades humanas. As águas residuárias resultantes de

um processo industrial fazem parte do segundo tipo de esgoto. Ambas

são fontes pontuais – grandes inserções de matéria orgânica bem

delimitadas, responsáveis pela depleção do oxigênio em cursos d’água.

As águas residuárias pluviais são importantes contribuidoras

não pontuais pela poluição dos cursos d’água.

Esgoto doméstico

Resultante do uso da água potável em residências. Suas

características dependem do perfil do consumidor, bem como localização

geográfica, cultura e condição econômica. Por exemplo, em uma

população brasileira de baixa renda, mais da metade da água é

consumida nos banhos e nos EUA se gasta mais em lavagem de roupas que

na Suíça. Observe a tabela abaixo:

Nota-se também, no Brasil, que regiões de melhor

desenvolvimento econômico, também são as que possuem maior gasto per

capita de água.

As características dos esgotos são bastante variáveis, tal como

o perfil de consumo de água, mas de modo geral pode-se dizer que:

O esgoto é composto por cerca de 99.92% de água e apenas 0.08%

de substâncias, sendo que estas são bastante ricas em matéria orgânica

(70%). Da matéria orgânica presente, grande parte é composta por

proteínas (de 40% a 60%), carboidratos (25 a 50%) e o restante – cerca

de 10% - apresenta-se na forma de gorduras. Os lipídeos são os mais

dificilmente biodegradados, seguidos pelas proteínas. Os carboidratos

são facilmente degradados.

A produção diária de esgoto sanitário é da ordem de 48 a 54g de

DBO por habitante, o que representa em torno de 80% da água que

adentrou na residência.

A matéria inorgânica se apresenta na forma de areia e

substâncias dissolvidas, tais como cloretos, metais pesados,

nitrogênio, fósforo, enxofre e compostos tóxicos. Podem ser

encontrados os gases sulfídrico, metano e oxigênio.

No esgoto, há também um grande número de microorganismos, sendo

alguns inclusive de alta patogenicidade.

Situação do tratamento de esgotos no Brasil

Cerca da metade do esgoto produzido no Brasil não apresenta uma

correta disposição no ambiente. Este número é alarmante mesmo nas

principais cidades brasileiras, como São Paulo e Rio de Janeiro.

O tratamento deve ser realizado de modo que o corpo receptor

não sofra alterações nos parâmetros de qualidade. Os sólidos suspensos

depositam-se no fundo do ambiente aquático, formando lodo e odores,

além de reduzirem os níveis de oxigênio dissolvido na água.

Além disso, o excesso de nutrientes pode gerar a eutrofização

(crescimento exagerado de algas) e os microorganismos existentes podem

transmitir variadas doenças.

Autodepuração

O lançamento de efluentes de origem doméstica gera um aumento

no consumo de oxigênio resultante da estabilização da matéria orgânica

pelas bactérias denominadas decompositoras.

A decomposição da matéria orgânica irá gerar, posteriormente,

uma recuperação da água deste curso d’água, auxiliada por acidentes

naturais – por exemplo, cachoeiras elevam o nível de oxigênio

dissolvido. Tal recuperação recebe o nome de autodepuração.

O que deve ser observado é que o ecossistema de um rio, mesmo

após os processos de autodepuração é diferente, pois o equilíbrio se

processa em concentrações diferentes de nutrientes e substâncias, que

não existiam no curso d’água originalmente.

A entrada da fonte poluidora desequilibra o ecossistema por

completo, reduzindo a diversidade entre as espécies e matando em

especial as mais sensíveis aos produtos despejados. Após um processo

de seleção, os organismos resistentes passam a se desenvolver e o meio

ambiente se estabiliza.

Este processo gera inúmeras regiões em um curso d’água,

denominadas, zonas de autodepuração, que são:

-Águas limpas: antes do contato com o efluente; caracteriza-se

pelo equilíbrio ecológico e elevada qualidade da água;

-Zona de degradação: inicia-se com a inserção pontual do

efluente. Produz uma água turva, depositam-se partículas de fundo e há

um salto na quantidade de matéria orgânica disponível. Ainda existe

oxigênio, mas as espécies menos adaptadas não são capazes de

sobreviver. A proliferação de organismos aeróbios culmina por reduzir

os níveis de oxigênio no curso d’água;

-Zona de decomposição ativa (ou séptica): a cor do curso d’água

torna-se acentuadamente cinza e há depósito de lodo. Odores podem ser

sentidos. O oxigênio dissolvido atinge sua menor concentração, podendo

até zerar. Isto cria condições para o desenvolvimento da vida

anaeróbia e produção de mais gases, em especial o metano e gases

sulfídricos.

-Zona de recuperação: o alto consumo de matéria orgânica começa

a fazer com que ela volte a se estabilizar. A água fica mais clara e o

oxigênio inicia seu processo de recuperação. Predominam as formas

oxidadas dos compostos de nitrogênio: nitratos, nitritos e amônia

(zona de mineralização).

O fósforo e o enxofre são oxidados, fornecendo meios para o

desenvolvimento de algas e outras plantas fotossintetizantes. Estas,

por sua vez, provocam uma diminuição nas populações de bactérias e

protozoários e elevação na presença dos primeiros animais superiores.

Após a zona de recuperação e o surgimento de peixes mais

tolerantes, volta-se a região de águas limpas. A zona de mineralização

gera uma água mais fértil e permite a presença de outros organismos

não presentes no curso d’água original.

Tratamento de Esgotos

Para tratar esgotos, faz-se necessária uma classificação dos

diferentes níveis de tratamento:

1) Preliminar: visa à retirada de sólidos grosseiros;

2) Primário: visa à remoção de sólidos sedimentáveis e parte da

matéria orgânica;

3) Secundário: predominam mecanismos biológicos (anaeróbios e

aeróbios) visando à remoção de matéria orgânica;

4) Terciário: remove nutrientes, microorganismos patogênicos e

poluentes não-biodegradáveis, como agrotóxicos e metais

pesados.

Observações:

A relação DBO/DQO (material biológico em relação à matéria

orgânica total) é entre 40% e 60% em um esgoto sanitário.

O lodo produzido em tratamentos posteriores pode voltar ao lago

aeróbio para garantir a presença de microorganismos – lodo ativado.

O número de bactérias não cresce imediatamente após a inserção

de matéria orgânica pois envolve um processo de adaptação ao ambiente

e posterior reprodução (no caso, exponencial).

Tal estrutura pode ser esquematizada abaixo:

Tratamento preliminar

Nesta etapa, predominam os mecanismos físicos de remoção de

sólidos grosseiros e areia dos esgotos.

O gradeamento consiste na utilização de grades, constituídas

geralmente por barras metálicas paralelas para retenção de corpos

flutuantes e sólidos grosseiros em suspensão. Este processo objetiva

proteger tubulações e mecanismos que traria danos materiais à estação

de tratamento.

Existem três tipos de grades, as grosseiras (de abertura entre

4 e 10 cm), as comuns (de abertura entre 2 e 4 cm) e as finas, com

abertura inferior a 2 cm.

As velocidades de escoamento recomendadas são:

-Mínima: 0.4 m/s

-Média – mais utilizada: 0.6 m/s

-Máxima: 0.75 m/s

Caixas de areia (ou desarenadores) são utilizadas para remoção

da areia que chega às estações – grande parte por lançamentos ilegais.

Sua remoção é realizada por unidades específicas, onde se

emprega o mecanismo da sedimentação fracionada. A matéria orgânica, de

sedimentação mais lenta, permanece em suspensão.

Estes desarenadores garantem uma menor abrasão e evitam o

entupimento das tubulações à jusante. São constituídos de câmaras que

possibilitam o alargamento brusco da seção, fazendo com que a

velocidade se reduza e o regime passe do turbulento ao laminar. Estas

devem ter capacidade de retenção suficiente para armazenar grandes

quantidades de areia que é removida das tubulações.

Abaixo estão relacionados os tipos de sedimentação em uma

estação de tratamento de esgotos:

De forma geral, quanto menor a partícula, menor é a velocidade

de sedimentação da mesma. A velocidade do escoamento em caixas de

areia deve ser próxima de 0.3 m/s, devendo-se evitar velocidades

inferiores a 0.15 m/s para que se evite a deposição de matéria

orgânica. Recomenda-se a instalação de duas caixas de areia para

segurança do sistema.

Decantação x Sedimentação

A sedimentação acontece no decantador.

É a água que decanta; os sólidos sedimentam-se.

Tratamento primário

Após o tratamento preliminar, inicia-se o processo de

eliminação parcial de sólidos em suspensão não grosseiros em unidades

de sedimentação – os decantadores.

São tanques de forma circular ou retangular que possibilitam

uma baixa fluência do esgoto e conseqüente deposição de sólidos em

suspensão. Esta deposição origina o denominado lodo primário bruto,

que pode ser removido por tubulações ou raspadores mecânicos.

É neste tratamento que óleos e graxas, bem como líquidos de

menor densidade também são removidos para posterior tratamento.

Atinge-se, ao final do processo, uma porcentagem de remoção de

até 60% para os sólidos em suspensão e cerca de 30% de DBO.

O tempo necessário para que haja precipitação é denominado

tempo de detenção hidráulica (TDH) e é pré-determinado no

dimensionamento do decantador. A água não deve sofrer nenhuma

turbulência afim de que se facilite a decantação.

Alguns valores típicos para o dimensionamento de decantadores

estão relacionados abaixo:

Detalhes do dimensionamento:

1) Obtenção do volume: é o produto da vazão diária pelo TDH

(V/Q), dividido pelo número de horas de um dia.

2) Obtenção da área superficial: adotar o valor de profundidade

indicado pela tabela.

3) Conferir TAS: dividir a vazão diária pelo número de unidades

e a área superficial.

4) Cálculo do diâmetro ou lados: usar a área superficial. Para

retangular, usar relação L/B de 2 a 4.

Os tanques de areia circulares estão relacionados com as curvas

de um rio, onde a deposição de areia ocorre na margem interna do curso

d’água. (Nestes tanques, o lodo é retirado por tubulação localizada no

centro do círculo)

Tratamento biológico

Este tratamento ocorre inteiramente pela ação de

microorganismos nos processos metabólicos destes. Estes processos são

baseados no sistema de autodepuração que ocorre na natureza.

As reações bioquímicas são realizadas por diferentes tipos de

microorganismos, que podem ou não, atuar em conjunto.

Na figura acima, são exibidos os principais microorganismos

presentes no esgoto e sua importância no tratamento biológico.

De uma forma geral, seres vivos necessitam de uma fonte de

energia e de carbono para poderem desempenhar suas funções vitais.

Sendo assim, os organismos podem ser classificados em:

-Fotoautótrofos: quando a fonte de energia é a luz, e a fonte

de carbono é o gás carbônico. Ex.: plantas superiores, bactérias

fotossintéticas.

-Fotoheterótrofos: quando a fonte de energia é a luz, mas a

fonte de carbono é a matéria orgânica. Ex.: bactérias fotossintéticas.

-Quimioautótrofos: quando a fonte de energia é a matéria

orgânica, e a fonte de carbono é o gás carbônico. Ex.: bactérias.

-Quimioheterótrofos: quando a fonte de energia e a fonte de

carbono é a matéria orgânica. Ex.: animais superiores.

O metabolismo bacteriano é dividido em duas vias: o catabolismo

(oxidação de matéria orgânica) e o anabolismo (formação de novas

células), como esquema abaixo:

Além disso, os parâmetros ambientais devem ser favoráveis, tais

como temperatura e pH. O pH ideal para a proliferação de bactérias é

muito próximo da neutralidade, algo em torno de 6.5 e 7.5.

As bactérias podem ser classificadas de acordo com a faixa

ótima de temperatura para seu desenvolvimento. As que sobrevivem em

temperaturas entre 12 e 18 graus são denominadas psicrofílicas, entre

25 e 40 graus são mesofílicas (são as que degradam matéria orgânica

mais rapidamente) e entre 55 e 65 graus são as termofílicas.

O esgoto só é bem tratado com a presença de grande massa de

bactérias ativas atuantes no processo de digestão, além de um contato

intenso entre o material orgânico e esta massa.

Processo aeróbio

É um processo biológico que ocorre na presença de oxigênio.

As bactérias então promovem a transformação de compostos

orgânicos complexos em produtos mais simples – gás carbônico, água e

compostos não biodegradáveis.

Veja abaixo o exemplo, na equação de degradação da glicose:

𝐶6𝐻12𝑂6 + 6 𝑂2 → 6 𝐶𝑂2 + 6 𝐻2𝑂

Os microorganismos dependem também da carga – quantidade de

matéria orgânica presente no sistema, tal como é apresentado no

gráfico abaixo:

As vantagens do sistema aeróbio é a produção do efluente em boa

qualidade – atende os padrões de lançamento de acordo com as

legislações vigentes, a remoção de nutrientes é possível e o tempo

necessário para se atingir a eficiência esperada é baixo.

Este tempo se deve ao processo de desenvolvimento bacteriano,

que esquematicamente se processa como no gráfico abaixo:

O sistema aeróbio é dependente de uma composição bastante

restrita do efluente. Ex.: 100 DBO : 5 N : 1 P.

A união de microorganismos pode adquirir forma de grânulos –

mais densos (textura de grão de arroz) ou flocos (os primeiros são

comuns nos reatores anaeróbios e os últimos, em anaeróbios).

As desvantagens que podem ser apontadas são a alta geração de

lodo e o elevado consumo de energia para garantir a aeração do

sistema.

Processo anaeróbio

Processo biológico que ocorre na ausência de oxigênio. Este gás

é tóxico para os organismos envolvidos.

A matéria orgânica é degradada em compostos mais simples, como

o metano e o gás carbônico. Neste sistema, os microorganismos são

bastante especializados e as reações são efetuadas por cada grupo

específico deles. Veja esquema:

O processo bioquímico envolvido é complexo e se processa em

variadas reações seqüenciais, que realizam diversas funções, entre as

quais:

Hidrólise: neste passo, que também ocorre em reatores aeróbios,

o material orgânico é convertido em compostos de menor peso molecular.

Sendo assim, proteínas se transformam em aminoácidos, carboidratos em

açúcares solúveis e lipídeos em ácidos graxos poliméricos e glicerina.

Acidogênese: os compostos dissolvidos são absorvidos nas

células de bactérias fermentativas e são excretados ácidos graxos de

menor cadeia.

Acetogênese: a conversão dos ácidos em substratos para a

produção do metano ocorre na terceira etapa. São formados acetatos,

hidrogênio gasoso e dióxido de carbono.

Metanogênese: A formação de metano propriamente dita, pelas

bactérias denominadas arquéias metanogênicas – sensíveis à variação do

pH e temperatura. Estas reduzem o ácido acético e o gás carbônico.

O mecanismo anaeróbio apresenta diversas vantagens, dentre as

quais: o baixo consumo de energia, a menor produção de lodo, a

obtenção de metano, que pode ser usado como combustível e o

funcionamento após períodos de interrupção.

Como desvantagem, o sistema anaeróbio necessita de um maior

período de partida (bactérias se reproduzem mais lentamente), a

sensibilidade a mudanças ambientais é maior, maus odores são

produzidos e faz-se necessário pós-tratamento.

A tendência é a utilização de reatores anaeróbios como primeira

etapa do tratamento secundário, seguida da construção de reatores

aeróbios para a remoção da matéria orgânica remanescente. Disto

resulta um efluente de melhor qualidade e gastos energéticos

reduzidos.

Biomassa

Biomassa é a população de microorganismos responsáveis pela

degradação da matéria orgânica. Ela pode ocorrer em reator biológico

de duas formas:

- Dispersa: crescimento ocorre na forma de flocos biológicos,

sem a necessidade de estruturas de sustentação. É composta de uma

matriz de polissacarídeos, bactérias filamentosas (que garantem a

rigidez) e bactérias colodais aderidas.

- Aderida: cresce aderida a um meio suporte, formando um

biofilme. Tal meio pode ser um sólido natural ou artificial. Ocorre

principalmente em reatores anaeróbios.

Uma das principais condições para a seleção da biomassa é a

imobilização no interior do reator. Se ocorrer perda de lodo, a

velocidade de tratamento será reduzida e necessitará de uma estrutura

maior para melhorar seu desempenho.

Comparação final entre reatores aeróbios e anaeróbios

Por fim, analisemos o percentual de matéria orgânica

transformada em cada um dos tipos de reatores:

O biogás é composto em sua maior parte (até 70%) por metano,

sendo excelente combustível.

Seguem tabelas de principais poluentes e principais mecanismos

de remoção de poluentes em águas residuárias: