Remoção de metais no tratamento de esgoto

A composição de metais no esgoto é complexa e bastante variável devido à diversidade nas atividades econômicas (ÜSTÜN, 2009). Além disso, a concentração de metais varia com a natureza do elemento considerado, de um dia para o outro, chegando aumentar em até cinco vezes durante o dia com relação à noite (NEJMEDDINE, FARS e ECHAB, 2000).

Relacionando as lagoas de estabilização com a remoção de metais, pode-se atribuir já ao tratamento preliminar proporções de remoção dependendo do tipo de efluente. Segundo Kempton, Sterritt e Lester, 1987 apud LESTER, 1987, a desarenação pode influenciar significativamente na remoção de metais. Embora processos físicos removam muito pouco de metais sedimentáveis na forma solúvel, há uma grande correlação entre a remoção destes com a remoção de sólidos, sendo influenciada pela concentração de sólidos no efluente bruto e sua vazão.

Quando comparado ao tratamento convencional, como filtros biológicos, os lodos ativados, as lagoas aeradas e as lagoas de estabilização diferem em aspectos relevantes na distribuição de metais para várias partes deste ecossistema. Contudo, operam com estreita margem de tolerância para variações no pH, potencial redox, estabilidade da população microbiana, dentro de uma única lagoa (KAPLAN, ABELIOVICH e BEN-YAAKOV, 1987).

Para Kaplan, Abeliovich e Ben-Yaakov (1987) e Cai et al. (2007), a presença de compostos orgânicos como o ácido húmico e o ácido fúlvico, reduz a toxicidade dos metais devido à complexação dos íons livres. Lipczynska-Kochany e Kochany (2009), ainda completam que adsorvidos na superfície das substâncias húmicas, os metais precipitam reduzindo sua biodisponibilidade e toxicidade para as bactérias do tratamento biológico.

Os metais podem ser mantidos no esgoto em solução com substâncias quelantes sintéticas ou naturais como ácido nitrilotriacético, ácido húmico e fúlvico. A influência destes compostos orgânicos contribui com a DQO e a solubilidade dos metais (STOVELAND e LESTER, 1980). Segundo Cai et al. (2007), a solubilidade dos metais aumenta com a diminuição do pH, já Chipasa (2003), afirma que com o aumento do pH aumenta a remoção de metais devido a precipitação de hidróxidos metálicos, por exemplo.

Segundo Stoveland e Lester (1980), os metais precipitados na matriz do esgoto são resultantes da formação de hidróxidos, carbonatos e ortofosfatos insolúveis, ou da associação com sólidos sedimentáveis, os quais podem ser removidos na fase de tratamento primário. O tamanho da partícula também influencia na remoção de metais, no entanto, essa fase tem pouco efeito sobre a concentração de metais dissolvidos.

Segundo Lester (1987), a remoção de metais durante a desarenação é um processo físico, dependente da eficiência de remoção de sólidos suspensos e das espécies químicas dos metais (solúvel ou insolúvel). A remoção de sólidos suspensos é afetada pelo projeto, pela superfície de carregamento, pelo fluxo, pelo período (seco ou chuvoso) e pela concentração de sólidos suspensos. As espécies químicas dos metais dependem da concentração de metais, DQO, alcalinidade e pH do efluente.

Como resultado, a remoção de metais durante esse tratamento varia muito, como também o carregamento e a concentração dos metais no efluente. Esta por sua vez, é causada pelos escoamentos urbanos associados a grandes desproporcionalidades de fluxo de metais. Um exemplo é o chumbo que apresenta uma carga 30 vezes maior do que o normal em condições de período seco. Lester (1987) ressalta ainda que a baixa eficiência da remoção de metais, observada em comparação a vários trabalhos, pode estar associada a grandes variações de carga no efluente.

Segundo Lipczynska-Kochany e Kochany (2009), a sedimentação primária remove cerca de 40 a 70% de Cd, Cu, Cr e Pb enquanto que para Ni e Mn remove de 20 a 30%. De acordo com Stephenson e Lester (1987), apenas o Pb foi removido por precipitação, tendo Ni e Co remoções insignificantes. Nos estudos de Lester et al. (1979) a sedimentação removeu 40% de Pb e 45 % de Cu.

Para Nejmeddine et al. (2000), Zn, Cu e Pb são os metais mais removidos na sedimentação primária, e o Cd o menos removido. Já Kaplan, Abeliovich e Ben-Yaakov (1987) obtiveram remoção de 24% para Zn, 20% para Pb, 5% para Cd e nenhuma remoção para Cu.

Segundo Lester, Harrison e Perry (1979), metais insolúveis precipitam na sedimentação primária, enquanto que metais dissolvidos são removidos no tratamento biológico. Stephenson e Lester (1987) ressaltam que remoção de metal solúvel não é processo metabólico, mas sim uma interação entre as partículas dos metais com sólidos sedimentáveis biológicos.

O mecanismo mais amplamente conhecido para inibição da toxicidade de metais é a ligação de íons metálicos com enzimas extracelulares ou intracelulares em bactérias de lodos ativados, que é conhecido por ser irreversível em muitos casos (MARGUÍ et al., 2010).

Segundo Rudd, Sterritt e Lester (1984), no tratamento biológico, as bactérias gram-negativas produzem polímeros extracelulares na forma de cápsulas ou de matriz gelatinosa. Tais polímeros são importantes na adsorção de íons metálicos. A adsorção pode ocorrer para facilitar a infiltração de metais, através da parede celular, para locais de ligação dentro do citoplasma, necessários para o metabolismo e crescimento da bactéria. Também pode ocorrer para melhorar a função protetora dos polímeros, aumentando sua resistência à decomposição.

Segundo Metcalf e Eddy (2003), a remoção de metais em processos de tratamento biológico ocorre principalmente por adsorção e complexação dos metais com os micro-organismos. Além disso, são possíveis processos que resultam em transformações e precipitação de metais. Micro-organismos combinam-se com metais e os adsorvem às suas superfícies celulares, devido a interação entre os íons de metal e as superfícies microbianas carregadas negativamente. Os metais também podem ser

complexados por grupos carboxila encontrados em polissacarídeos microbianos e outros polímeros, ou absorvido por materiais proteicos na célula biológica.

A toxicidade de metais a micro-organismos é referente à concentração do mesmo, por isso a presença de metais no esgoto não é só uma preocupação ambiental, pois reduz fortemente a atividade microbiana do tratamento biológico. Podem inibir a nitrificação e desnitrificação e reduzir a oxidação microbiana de compostos orgânicos (CHIPASA, 2003).

De acordo com Lipczynska-Kochany e Kochany (2009), o tratamento biológico pode ser inibido com as seguintes concentrações dos metais: Cr (50 mg L-1), Cu (1 mg L-1), Fe (1000 mg L-1), Mn (10 mg L-1), Ni (1 mg L-1) e Zn (10 mg L-1).

Segundo Stoveland e Lester (1980), a remoção de metais durante o tratamento biológico varia de metal para metal. Sugerem ainda que a eficiência da remoção está fortemente associada aos sólidos biológicos, sendo dependente de sólidos suspensos no efluente. Quanto maior a idade do lodo maior a remoção de certos metais, como Pb e Zn, maior volume de lodo e concentração de licor misto de sólidos sedimentáveis. O aumento da idade do lodo contribui também para a diminuição da concentração de sólidos suspensos no efluente e da taxa de DQO.

Lipczynska-Kochany e Kochany (2009) afirmam que a toxicidade de metais para bactérias é frequentemente relacionada a concentração de cátions livres. Metais não essenciais, como Ni e Zn, entram na célula e deslocam metais essenciais, como Fe, conduzindo uma inibição da função fisiológica. A interação de metais com grupos funcionais intracelulares, por exemplo, destrói estruturas proteicas.

Segundo Cheng, Patterson e Minear,1975 apud STOVELAND e LESTER, 1980, a adsorção do metal não é um fenômeno biológico, mas sim físico-químico que envolve propriedades da superfície dos flocos de lodo com os metais. A quantidade de metal adsorvido por bactérias formadoras de flocos isolados varia de acordo com a espécie da bactéria (DUGAN e PICKRUM, 1972 apud STOVELAND e LESTER, 1980).

Segundo Stephenson e Lester (1987), a variação na eficiência de remoção dos metais indica que metais diferentes podem ser removidos por mecanismos

diferentes no tratamento biológico como: sedimentação direta de metais insolúveis; adsorção de metais solúveis por flocos de lodo; volatilização para a atmosfera; captura de metais solúveis pelas células bacterianas ativas; ligações de metais solúveis a polímeros extracelulares bacterianos; e, aprisionamento de metais insolúveis pela matriz biológica.

Segundo Lester, Harrison e Perry (1979), se um metal com concentração excessiva não for removido durante a sedimentação primária, ou ter sua concentração reduzida, sua presença pode ser prejudicial para a eficiência do tratamento biológico causando a descarga de um efluente final com qualidade inferior.

Uma quantidade significativa de remoção de metal solúvel tem sido observada nos processos biológicos, com remoções variando de 50 a 98 por cento, dependendo da concentração inicial do metal e da concentração de sólidos biológicos reator (METCALF e EDDY, 2003).

Nos estudos de Üstün (2009), a remoção de metais foi diretamente proporcional a concentração afluente obedecendo a seguinte ordem: Cd<Cu<Pb<Ni<Mn<Zn<Cr<Al<Fe. Segundo o autor, a eficiência de remoção foi afetada pela concentração e espécies de íons metálicos, mas também parâmetros físicos, químicos, biológicos e operacionais.

Metais fortemente adsorvido ou complexado por sólidos suspensos ou outras formas pouco solúveis de sais na matriz química do esgoto, bruto e sedimentado, podem causar a inibição da digestão do lodo (LESTER et al., 1979).

Segundo Cai et al. (2007), a quantidade total de metais em lodo é cerca de 0,5 a 2,0% do peso seco e em alguns casos sobe para 4,0% com Cu e Zn. Segundo Nejmeddine, Fars e Echab (2000), o Zn é o metal mais abundante no lodo, enquanto que o Cd o menos abundante. Ressalta que partículas grandes sedimentam no começo da lagoa e partículas pequenas no final.

Segundo Chipasa (2003), a toxicidade de um metal depende da espécie e concentração do metal, pH, concentração de lodo, carga poluidora do esgoto e solubilidade de íons metálicos. Stoveland e Lester (1980) afirmam que a remoção de metais é afeta pelo volume e idade do lodo, remoção de sólidos suspensos, concentração

de oxigênio dissolvido, tempo de retenção celular, temperatura, concentração de agentes quelantes, tamanho das partículas e concentração de polímeros extracelulares bacterianos.