Processos avançados de tratamento de esgoto

Serão descritos neste capítulo os processos de tratamento de adsorção de carvão ativado que é integrante da URA da ETE Atuba Sul e o processo de separação por membranas usualmente empregado no RIPIAS.

2.4.4.1 Processo de adsorção com carvão ativado

O processo de adsorção com carvão ativado é classificado como tratamento avançado de esgotos. Visa fundamentalmente à eliminação de materiais orgânicos solúveis não biodegradáveis, cujos sistemas ditos convencionais não possuem a capacidade de remover. Estas substâncias na literatura são chamadas de compostos refratários (MANCUSO, 2003).

O carvão ativado é um material poroso com superfície específica interna

elevada, na ordem de 500 a 1.500 m²/g. É produzido a partir de matérias primas como

madeira, nó de pinho, eucalipto, casca de coco, casca de dendê, babaçu, carvão mineral, caroços de frutas e resíduos de petróleo. A grande área superficial é obtida no processo de ativação, no qual a matéria prima sofre de forma controlada a oxidação, através da carbonização, em fornos com temperaturas de 199ºC a 243ºC e pressão em torno de 51 kg/cm² (MORIKAWA, 1990 e MANCUSO, 2003).

A estrutura interna do carvão ativado é formada por poros e microporos, com grande superfície específica, propiciando a adsorção de poluentes. A capacidade de adsorção está relacionada com a compatibilidade do tamanho das moléculas que se

deseja remover e o tamanho dos poros (NUVOLARI, 2007).

Mancuso (2003) comenta que o carvão ativado pode ser utilizado nas formas em pó e granular. Esta última é a mais utilizada no tratamento de esgotos. Na modalidade em pó, o carvão é aplicado diretamente no efluente e posteriormente se procede à remoção do carvão saturado por filtração. Na situação de aplicação em tratamento de esgotos sanitários, há a necessidade de grandes quantidades para a adsorção eficaz dos compostos orgânicos. Este aspecto encarece o processo, normalmente inviabilizando a sua utilização.

A aplicação do carvão granular ocorre através da passagem do efluente por leitos ou colunas, normalmente de baixo para cima, ocorrendo a adsorção dos componentes refratários. Quando a capacidade de adsorção dos poros e microporos se esgota é necessária a regeneração do carvão granular através da ativação (MANCUSO, 2003).

Sob o ponto de vista operacional, o carvão ativado pode ser utilizado em sistemas de qualquer porte e no tratamento de vazões totais ou parciais de ETEs. Pode ser adotado em diversas fases do tratamento, como antes ou após o tratamento biológico e posteriormente ao tratamento físico-químico, como a flotação. Neste último arranjo evita-se problemas operacionais na coluna de carvão pelo entupimento por sólidos (MANCUSO, 2003).

Asano (2007) enfatiza o emprego da adsorção com carvão ativado no tratamento de esgotos principalmente na remoção de micropoluentes, compostos inorgânicos e metais, além do controle de odor. A efetividade de remoção de fluoretos e alguns metais podem exceder os 90%. Observa-se deficiências na adsorção de substâncias orgânicas polares de baixo peso molecular. Abaixo estão relacionados alguns grupos de compostos orgânicos, com exemplos, que o processo de adsorção por carvão ativado tem demonstrado eficácia na remoção:

a) solventes aromáticos: benzeno, tolueno e nitrobenzenos;

b) aromáticos clorados: PCBs e clorofenois;

c) aromáticos polinucleares: acenafteno, bezopyrenos;

d) agrotóxicos: DDT, aldrin, chlordane e atrazina;

e) clorados não aromáticos: tetracloreto de carbono, aloroalkil, eters,

dicloroetano, cloreto de vinila, tricloroetano, clorofómio, bromofórmio e cloraminas;

f) hidrocarbonetos com alto peso molecular: corantes, gasolina, aminas e

húmicos

O quadro 16 apresenta a eficiência de remoção do processo de carvão ativado para alguns compostos orgânicos, organoclorados e cloro.

O tratamento da água com carvão ativado é capaz de remover toxinas e cianotoxinas, inclusive neurotoxinas e hepatotoxinas, produzidas por algas e cioanobactérias a partir do processo de eutrofização (FUNASA, 2003).

COMPOSTOS ADSORÇÃO (%)

Carbono orgânico total 72 a 82

Cloro 98 Clorofórmio 98,1 2- Cloronaftaleno > 83 Hexaclorobutadieno 99,9 Hexaclorociclopentadieno 99,9 Hexacloroetano 99,8 Naftaleno > 99,4 Tetracloreto de carbono 97,3 Tetracloroeteno 99,7 Tolueno 99,9

QUADRO 16 - EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DO PROCESSO DE ADSORÇÃO COM CARVÃO ATIVADO

FONTE: NUVOLARI (2007).

2.4.4.2 Processos de separação por membranas

O processo de separação por membranas, de acordo com MANCUSO (2003), tem como princípio a utilização de membranas semipermeáveis, providas de poros, que agem como uma barreira seletiva impedindo fisicamente a passagem de alguns tipos de materiais. Para a efetividade da separação é necessária a aplicação de uma força para a passagem pela membrana, denominada força motriz. Além da força motriz o desempenho do processo é condicionado ao tipo, estrutura da membrana e da natureza e concentrações dos componentes do efluente.

O princípio operacional do processo consiste na passagem do fluxo pela membrana, resultando no permeado (material que passou pela membrana) e no concentrado (material que não passou pela membrana), como demonstrado na figura 6.

FIGURA 6 - PRINCÍPIO OPERACIONAL DAS MEMBRANAS SEMIPERMEÁVEIS. FONTE: MANCUSO (2003).

Metcalf & Eddy (2003) comentam que a filtração, já vista no item 2.4.2.7 deste trabalho, é utilizada na remoção de material particulado e coloidal. Já processos com membranas são destinados na remoção de materiais sólidos dissolvidos, com

partículas entre 0,0001 µm a 1 µm.

O mesmo autor classifica o processo de separação por membranas em microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração, osmose reversa, diálise e eletrodiálise. As características e diferenciações entre os processos de separação com membranas estão apresentados no quadro 17.

Na composição das membranas são utilizados diversos materiais orgânicos e inorgânicos como celulose, acetato, cerâmicas, nylon, polipropileno, teflon e poliamidas aromáticas. Comercialmente as membranas são disponibilizadas nas formas tubular, em composições de fibras finas e ocas e na forma plana (ASANO, 2007).

MEMBRANA

EFLUENTE

CONCENTRADO

PROCESSO FORÇA MOTRIZ PRESSÃO OPERACIONAL ^ESTRUTURA DA MEMBRANA MATERIAL REMOVIDO/ PARÂMETRO Microfiltração Diferença de pressão

hidrostática ou vácuo 0,5 a 5,0 kg/cm2 > 50 nm (macroporos) Sólidos suspensos, turbidez, oocistos e cistos de protozoários e algumas bactérias e vírus.

Ultrafiltração Diferença de pressão hidrostática ou vácuo

0,5 a 5,0 kg/cm2 2 nm até 50 nm

(mesoporos)

Macromoléculas, coloides, a maioria das bactérias, alguns vírus e proteínas Nanofiltração Diferença de pressão

hidrostática

5,0 a 15 kg/cm2 < 2nm

(microporos)

Pequenas moléculas, alguma dureza, vírus Osmose reversa Diferença de pressão hidrostática 51 a 81 kg/ cm2 < 2nm (estrutura não porosa) Moléculas muito pequenas, cor, dureza, sulfatos, nitratos, sódio e outros íons.

Diálise Diferença de

concentração

Não aplicável 2 nm até 50 nm

(mesoporos)

Macromoléculas, coloides, maioria das bactérias alguns vírus e proteínas

Eletrodiálise Potencial elétrico Não aplicável < 2nm

(microporos)

Íons

QUADRO 17 - CARACTERÍSTICAS DOS PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS. FONTE: Adaptações de METCALF & EDDY (2003) e MANCUSO (2003).

A microfiltração e ultrafiltração são alternativas na remoção de sólidos que podem concorrer com a filtração (item 2.4.2.7) combinada com adição de produtos químicos, floculação e decantação. Entretanto, a microfiltração e ultrafiltração trazem como principais vantagens à remoção adicional de macro moléculas, coloides e algumas bactérias e vírus. Como desvantagens ressalta-se os custos e consumo de energia no processo, comparativamente à filtração (ASANO, 2007).

Em alguns tipos de reúso de água, como o indireto potável, e alguns usos industriais, há a necessidade de remoção eficaz de sólidos dissolvidos e micropoluentes. Neste contexto, a aplicação dos processos de nanofiltração e osmose reversa devem ser consideradas. A eficácia de remoção dos dois modelos são semelhantes, sendo a principal diferença a remoção de íons. Enquanto a nanofiltração oferece níveis de remoção de íons monovalentes na faixa de 50% a 90%, a osmose reversa remove mais de 98% destes compostos. A nanofiltração tipicamente remove partículas com peso molecular entre 300 a 1000, no qual engloba alguns sais e a grande maioria dos compostos orgânicos e micro-organismos. Já a osmose reversa

consegue remover partículas com peso molecular inferior a 300, tendo a capacidade de remoção de sais, porém requerendo no sistema pressões superiores à nanofiltração. Embora os custos dos sistemas de nanofiltração e osmose reversa sejam relativamente bem superiores aos outros processos, com o desenvolvimento de novos materiais que trabalham com pressões menores, verifica-se uma acentuada queda nos custos operacionais. É esperado que no futuro os custos envolvidos se reduzam ainda mais, provendo mais viabilidade na aplicação destas concepções (ASANO, 2007).