Tratamento de Efluentes - Meios aerobios e anaerobios

Prévia do material em texto

Universidade Estadual de Santa Cruz – Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas. 
Curso de Engenharia Química 
Discente: Tales Botelho Matrícula: 201120280 
Professor: Elizama Aguiar de Oliveira 
Engenharia Bioquímica – CET 996 
Ilhéus – BA, 08 de novembro de 2016. 
 
 LODOS ATIVADOS 
 
O processo de lodo ativado é um sistema no qual uma massa biológica cresce e flocula, sendo continuamente recirculada e 
colocada em contato com a matéria orgânica do despejo líquido na presença de oxigênio puro, ou através de aerados mecânicos 
de superfície. 
 Em sua forma mais simples, uma instalação de tratamento 
por lodos ativados consta de um tanque munido de equipamentos de 
aeração, contendo ainda um dispositivo para decantação e 
recirculação do lodo formado em todo, ou em parte, conforme a figura 
1. Os tanques de aeração são construídos em concreto e, em geral, 
retangulares com profundidade que varia entre 3 e 5 metros. Os 
Figura 1: Sistema de Tratamento com Lodo Ativados. dispositivos para a areação podem ser de dois tipos principais: a 
aeração por insuflação, nos quais os tanques são dotados de placas ou de “velas” porosas dispostas juntas ao fundo dos tanques 
pelas quais sai o ar sob pressão que é conduzido até os difusores, e aeração por meio de agitadores superficiais, na qual os 
rotores estão dispostos junto à superfície do tanque com maior ou menor submergência. Os decantadores tem a função de reter 
os sólidos sedimentáveis responsáveis por uma parte da carga orgânica dos despejos industriais e dos esgotos domésticos. 
 A recirculação do lodo se destina a manter no tanque de aeração uma população de microrganismos para consumir a 
quantidade desejada de matéria orgânica. Neste sistema, os microrganismos estão em suspensão num meio líquido na qual a 
mistura é proporcionada pelo próprio sistema de aeração, sem a necessidade de agitação suplementar. Esses microrganismos 
responsáveis pela estabilização da matéria orgânica e consequente formação de flocos são as bactérias que podem ser 
nitrificadoras ou filamentosas. Após as bactérias, os protozoários são os organismos mais numerosos e importantes nos lodos 
ativados. Estes são responsáveis pela clarificação do efluente uma vez que se alimentam de bactérias que não floculam e de 
partículas pequenas de sólidos em suspensão não sedimentáveis. 
 Para dimensionar esse sistema, as cargas orgânicas aplicadas em sistemas de lodos ativados são expressas em Kg de 
BDO/Kg de SSTA dia (sólidos suspensos no tanque de aeração – SSTA) e varam de 0,05Kg ate 1 ou 2Kg DBO/Kg de SSTA. Os 
lodos ativados de capacidade convencional são dimensionados com taxas próximas de 0,3 Kg DBO/Kg SSTA dia. Quando os 
tanques de aeração são precedidos de decantadores, estes deverão ter entre 30 e 60 minutos de tempo de retenção ao passo 
que nos decantadores finais este tempo situado entre 2 e 3 horas para garantir o efluente mais limpo possível. O tempo de 
retenção nos tanques de aeração deve variar entre 4 e 8 horas. 
 Os principais requisitos para o bom funcionamento de um sistema de lodos ativados são: o oxigênio dissolvido (OD) no 
tanque de aeração situado entre 1 e 3 mg/L; o pH no tanque de aeração entre 6 e 9; quantidades adequadas de nutrientes 
(Nitrogênio e Fósforo) em relação à DBO do despejo a ser tratado; ausência de sobrecargas orgânicas ou tóxicas. 
 Esse sistema de lodo ativado se aplica para esgotos domésticos em mistura ou não com efluentes industriais, e para 
despejos industriais orgânicos com contração de matéria orgânica menor que 2g DBO/L. A eficiência na remoção de DBO nesse 
sistema é superior a 95%. 
 
 FILTROS BIOLÓGICOS 
 
 O filtro biológico é constituído de um leito que pode ser de pedras, ripas ou material sintético. O efluente é lançado sobre 
este por meio de braços rotativos e percola através das pedras (ou outro material) formando sobre estas uma película de 
bactérias. O esgoto passa rapidamente pelo leito em direção ao dreno de fundo, porém a película de bactérias absorve uma 
quantidade de matéria orgânica e faz sua digestão 
mais lentamente. Esse sistema de drenagem é 
importante tanto para coletar os líquidos já percolados 
como para permitir a circulação de ar através do leito, 
em consonância com a figura 2. O líquido coletado é 
encaminhado para um decantador, onde os sólidos são Figura 2: Filtro Biológico Percolador 
separados do efluente, uma parte do qual pode ser recirculada de volta ao filtro. 
 Para minimizar problemas de colmatação, resultantes dos entupimentos do filtro, utiliza-se sempre um decantador 
primário antes do filtro biológico. A matéria orgânica presente é adsorvida na camada biológica. Na parte mais externa da camada 
biológica a matéria orgânica é degradada pelos microrganismos aeróbios (que permite a passagem do oxigênio podendo este 
circular entre os vazios do material que constitui o leito fornecendo oxigênio para as bactérias) se forma próxima à superfície do 
material de enchimento do filtro. 
 A figura 3 mostra o esquema de um sistema de tratamento de efluente utilizando o filtro biológico. 
 As bactérias, consumidoras da matéria orgânica 
predominante e por isso consideradas os principais agentes 
primários da purificação, formam o grupo predominante na 
maioria dos leitos percoladores, sendo estas seguidas por 
protozoários, micrometazoários e os fungos. 
Figura 3: Esquema de Tratamento com Filtro Biológico A eficiência dos filtros biológicos é medida geralmente em 
termos de redução da DBO, que pode reduzir na ordem de 70 a 80% a DBO no sistema de tratamento. 
 Os filtros podem ser: filtro biológico de baixa carga e filtro biológico de alta carga. 
 1. Filtro Biológico de Baixa Carga: Neste sistema, como a carga de DBO aplicada é baixa, o lodo sai parcialmente 
estabilizado devido ao consumo da matéria orgânica presente na células das bactérias em seus processos metabólicos por causa 
da escassez de alimento. Tem eficiência comparável ao sistema de lodos ativados convencional. Ocupa uma maior área e possui 
uma menor capacidade de adaptação as variações do efluente, porém consome menos energia e é mais simples 
operacionalmente. 
 2. Filtro Biológico De Alta Carga: Este sistema é menos eficiente que o sistema de filtros biológicos de baixa carga e o 
lodo não sai estabilizado. A área ocupada é menor e a carga de DBO aplicada é maior. Há uma recirculação do efluente para que 
mantenha os braços distribuidores funcionando durante a noite, quando a vazão é menor e, evitando assim que leito seque. Com 
isto há também um novo contato das bactérias com a matéria orgânica melhorando a eficiência. Outra forma de aumentar a 
eficiência é colocando filtros biológicos em série. Há diferentes formas de combinar os filtros e a recirculação de efluentes. 
 
 
 LAGOAS 
 
 Uma das formas de efetuar o tratamento biológico de efluentes consiste no uso de lagoas. Essas lagoas podem ser por 
sua vez, subdivididas em: lagoas de estabilização e lagoas aeradas. 
 1. Lagoas de Estabilização: Os sistemas de lagoas de estabilização constituem-se na forma mais simples para 
tratamento de esgotos, apresentando diversas variantes com diferentes níveis de simplicidade operacional e requisitos de área. 
Essas lagoas são de grandes tanques de pequena profundidade, definidos por diques de terra, e nos quais as águas residuárias 
são tratadas por processos biológicos inteiramente naturais, envolvendo principalmente bactérias e algas. Nessas condições, a 
velocidade de oxidação é baixa e, como decorrência, têm-se longos tempos de retenção hidráulica, implicando em grandes 
extensões de terreno, necessariamente. Em contrapartida, o custo de construção, operação e manutenção são bastante 
reduzidos, não necessitandode cuidados operacionais especializados. Além disso, esse tipo de tratamento se mostra bastante 
eficaz na remoção de microrganismos patogênicos, devido aos longos tempos de retenção, da ordem de dias. 
 Nas lagoas de estabilização, de uma forma geral, as algas tem o papel de fornecedores de oxigênio, que por sua vez é 
utilizado pelas bactérias para a degradação da matéria orgânica. As bactérias então produzem gás CO2 que é utilizado pelas 
algas para a realização da fotossíntese. 
 As lagoas de estabilização podem ser classificadas da seguinte maneira: Lagoas Facultativas; Lagoas Anaeróbias; 
Lagoas Fotossintéticas Aceleradas; Lagoa de Maturação. 
i. Lagoas Anaeróbias: São projetadas para receber elevadas cargas orgânicas. A DBO é em torno de 50 % 
estabilizada na lagoa anaeróbia (mais profunda e com menor volume), enquanto a DBO remanescente é 
removida na lagoa facultativa. O sistema ocupa uma área inferior ao de uma lagoa facultativa única. O processo 
biológico que ocorre é semelhante àquele que ocorre na digestão anaeróbia, que será tratado no próximo tópico. 
A profundidade varia a partir de 2 até 6 metros e a carga orgânica utilizada é de 100 a 400g DBO/m³ dia. 
ii. Lagoas Facultativas: A DBO solúvel e finamente 
particulada é estabilizada aerobiamente por bactérias 
dispersas no meio líquido, ao passo que a DBO 
suspensa tende a sedimentar, sendo estabilizada 
anaerobiamente por bactérias no fundo da lagoa, 
conforme a imagem 4. O oxigênio requerido pelas 
bactérias aeróbias é fornecido pelas algas, através da 
fotossíntese. A sua profundidade é de 0,1 a 2,0 
metros e a carga orgânica utilizada é de 9 a 21g 
DBO/m³ dia. 
 Figura 4: Tratamento na Lagoa Facultativa 
iii. Lagoas de Maturação: O objetivo principal da lagoa de maturação é a remoção de patogênicos. Nas lagoas de 
maturação predominam condições ambientais adversas para os patogênicos, como radiação ultravioleta, 
elevado pH, elevado OD, temperatura mais baixa que a do corpo humano, falta de nutrientes e predação por 
outros organismos. As lagoas de maturação constituem um pós-tratamento de processos que objetivem a 
remoção da DBO, sendo usualmente projetadas como uma série de lagoas, ou como uma lagoa única com 
divisões por chicanas. A eficiência na remoção de coliformes é bastante elevada. 
iv. Lagoas Fotossintéticas Aceleradas: São pouco profundas, projetadas para o tratamento de águas residuárias 
pré-decantadas, visando uma produção máxima de algas. É necessária a remoção das algas dos efluentes. Os 
processos geralmente empregados são floculação/flotação e a microfiltração. A profundidade desse tipo de 
lagoa é normalmente da ordem de 0,3 m a 0,5 m, sendo a carga orgânica utilizada de 7 a 14g DBO/m³ dia. 
 A seguir, tem-se a figura 5 que retrata o esquema de disponibilidade de lagoas dispostas nos sistemas i, ii e iii descritos 
acima. 
 
 Figura 5: Disposição das lagoas para o tratamento de águas residuárias. 
 
 2. Lagoas Aeradas: Historicamente, as lagoas aeradas foram desenvolvidas a partir das lagoas de estabilização nas 
quais, em períodos críticos como no inverno, o oxigênio era fornecido por meios artificias. Logo após as aeradas entrarem em 
operação, as algas desapareciam e a população microbiana que passava a predominar na lagoa era semelhante a do processo 
de lodos ativados. Dessa forma, pode-se dizer que as lagoas aeradas correspondem à unidades de lodos ativados operando sem 
retorno do lodo. Modernamente, o fornecimento de oxigênio é feito através de aerados mecânicos superficiais. As lagoas aeradas 
fornecem uma eficiência de DBO solúvel bastante elevada mesmo com baixas idades de lodo. A área necessária em geral é da 
ordem de 1% a 10% daquela necessária para lagoas de estabilização fotossintética. As lagoas aeradas podem ser facultativas e 
aerada de mistura completa. 
i. Lagoas Facultativas: Os mecanismos de remoção da DBO são similares aos de uma lagoa facultativa. No 
entanto, o oxigênio é fornecido por aeradores mecânicos, ao invés de através da fotossíntese. Como a lagoa 
também é facultativa, uma grande parte dos sólidos do esgoto e da biomassa sedimentada, é decomposta 
anaerobiamente no fundo. 
ii. Lagoa Aerada de mistura completa: A energia introduzida por unidade de volume da lagoa é elevada, o que 
faz com que os sólidos (principalmente a biomassa) permaneçam dispersos no meio líquido, ou em mistura 
completa. A decorrente maior concentração de bactérias no meio líquido aumenta a eficiência do sistema na 
remoção de DBO, o que permite que a lagoa tenha um volume inferior ao de uma lagoa aerada facultativa. No 
entanto, o efluente contem elevados teores de sólidos (bactérias), que necessitam ser removidos antes do 
lançamento no corpo receptor. A lagoa de decantação a jusante proporciona condições para esta remoção. O 
lodo da lagoa de decantação deve ser removido em períodos de poucos anos. 
 
 
 
 DIGESTORES 
 
 A digestão anaeróbia é um processo biológico no qual um consórcio de diferentes tipos de microrganismos, na ausência 
de oxigênio molecular, promove a transformação de compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e lipídios) em 
produtos mais simples como metano e gás carbônico. Os microrganismos envolvidos na digestão anaeróbia são muito 
especializados e cada grupo atua em reações específicas. Nos reatores anaeróbios, a formação de metano é altamente 
desejável, uma vez que a matéria orgânica, geralmente medida como demanda química de oxigênio (DQO). É efetivamente 
removida da fase líquida, pois o metano apresenta baixa solubilidade na água. Assim, a conversão dos compostos orgânicos em 
metano é eficaz na remoção do material orgânico, apesar de não promover a sua oxidação completa, a exemplo de sistemas 
bioquímicos aeróbios. 
 Nos sistemas de tratamento anaeróbio procura-se acelerar o processo da digestão, criando-se condições favoráveis. 
Essas condições se referem tanto ao próprio projeto do sistema de tratamento como às condições operacionais nele existentes. 
Em relação ao projeto de sistemas de tratamento têm-se duas prerrogativas básicas: 
 a) o sistema de tratamento deve manter grande massa de bactérias ativas que atue no processo da digestão anaeróbia. 
 b) é necessário que haja contato intenso entre o material orgânico presente no afluente ë a massa bacteriana no sistema. 
Quanto às condições operacionais, os fatores que mais influem são a temperatura, o pH, a presença de elementos nutrientes e a 
ausência de materiais tóxicos no afluente. 
 O processo de digestão anaeróbia pode ser representado como ocorrendo em três etapas, como mostrado na figura 6. 
 
Figura 6: Esquema de três estágios para a degradação anaeróbia completa 
 
 No primeiro estágio, espécies de bactérias fermentativas hidrolisam polissacarídeos como a celulose, e degradam os 
produtos destes ácidos orgânicos, álcoois, H2 e CO2. Essas bactérias também fermentam proteínas e lipídeos originando 
compostos semelhantes. No segundo estágio, as bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio obtém energia para o 
crescimento produzindo acetato e H2 e algumas vezes CO2 de ácidos orgânicos e álcoois produzidos no primeiro estágio. No 
terceiro estágio, as bactérias metanogênicas utilizam os produtos dos primeiros dois estágios, principalmente H2, CO2 e acetato 
produzindo CH4 e CO2. Os processos anaeróbios são geralmente mais lentos que os aeróbios, exigindo por este motivo maiores 
tempos de retenção. 
 A fase limitante do processo é a da formação do metano visto que as bactérias metanogênicas são muito lentas e 
sensíveis às variações do ambiente. 
 Vários são os fatores que influenciam o desempenho da digestão anaeróbia de águas residuárias. Dentre os fatores 
ambientaisse destacam a temperatura, o pH, nas quais as condições ótimas estão situadas nas faixas de 35 a 37ºC (faixa 
mesófila) e 57 a 59ºC (faixa termófila) e pH próximo a neutralidade, a alcalinidade e a presença de nutrientes. Outros fatores, 
como a capacidade de assimilação de carga tóxicas, transferência de massa, sobrecargas hidráulicas e a atividade metanogênica, 
também desempenham um papel importante no processo. 
 Historicamente, a aplicação do processo de digestão anaeróbia sempre foi dificultada, especialmente para resíduos 
diluídos pela necessidade de se operar com grandes tempos de retenção hidráulica (TRH), normalmente superiores a 20 dias, o 
que implicava em equipamentos de grandes dimensões. 
 A tendência de uso do reator anaeróbio como principal unidade de tratamento biológico de esgoto deve-se, 
principalmente, à constatação de que fração considerável do material orgânico (em geral próxima de 70%) pode ser removida, 
nessa unidade, sem o dispêndio de energia ou adição de substâncias químicas auxiliares. Unidades de pós-tratamento podem ser 
usadas para a remoção de parcela da fração remanescente de material orgânico, de forma a permitir a produção de efluente final 
com qualidade compatível com as necessidades que se impõem pelos padrões legais de emissão de efluentes e a preservação 
do meio ambiente. 
 
 REFERÊNCIAS 
 
 LIMA et al. Biotecnologia Industrial; vol 3; Processos Fermentativos e Enzimáticos; Capt 23: Tratamento Biológico de Efluentes. 
 
 PESTANA, Marcelo and GANGHIS, Diógenes. Tratamento de Efluentes. Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET – BA). 
 
VON SPERLING, Marcos. Lodos Ativados: Princípios do tratamento biológico de Águas Residuárias, 2ª Ed. V 4, 1997.