UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC
CENTRO TECNOLÓGICO – CTC
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E
ENGENHARIA DE ALIMENTOS – EQA
APOSTILA
TRATAMENTO DE EFLUENTES
Prof. Hugo Moreira Soares
Esta apostila foi preparada especificamente e tão somente para atender às disciplinas de Engenharia Ambiental e de Tratamento de Efluentes, ministradas nos Cursos de Engenharia Química e de Engenharia de Alimentos da UFSC. Parte deste material foi reproduzido e/ou modificado de outros trabalhos, livros e artigos citados na mesma. Esta apostila não poderá ser reproduzida, a não ser para atender este objetivo a que se destina.
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1. POLUIÇÃO DAS ÁGUAS 1.1. Ocorrência das Águas
1.2. Indicadores de Qualidade da Água 1.3. Padrões de Qualidade da Água 1.4. Fontes de Poluição e Seus Efeitos
2. COLETA E PRESERVAÇÃO DE AMOSTRAS
3. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA CARACTERIZAÇÃO DE ÁGUAS
4. PROCESSOS DE TRATAMENTO DAS ÁGUAS
5. TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO
5.1. Pré-Tratamentos (pré-oxidação, ajuste de pH e abrandamento) 5.2. Coagulação/Floculação 5.3. Decantação/Flotação 5.4. Filtração 5.5. Desinfecção 5.6. Fluoretação 5.7. Ajuste final
5.8. Outros Processos de Tratamento Físico-Químicos
6. TRATAMENTO BIOLÓGICO 6.1. Microbiologia e Bioquímica
6.2. Parâmetros de Controle de Processo 6.3. Sistemas de Tratamento
6.3.1. Sistemas Aeróbios 6.3.2. Sistemas Anaeróbios
6.3.3. Vantagens e desvantagens dos processos aeróbios e anaeróbios 6.3.4. Remoção de Nitrogênio
1. POLUIÇÃO DAS ÁGUAS
1.1. Introdução
No Brasil, o conceito de poluição é definido por lei (Lei n.º 6.938/81, art. 3º, III), como sendo a degradação da qualidade ambiental resultante de atividade que direta ou indiretamente:
a) prejudiquem a saúde, a segurança e o bem estar da população; b) criem condições adversas às atividades sociais e econômicas; c) afetem desfavoravelmente a biota;
d) afetem as condições estéticas ou sanitárias do meio ambiente;
e) lancem matérias ou energia em desacordo com os padrões ambientais estabelecidos. Na realidade, poluição é um conceito relativo, pois a água em seu estado natural varia suas características enormemente de uma fonte para outra, podendo enquadra-se em condições de usos diversos. Determinados mananciais naturais possuem características que já são impróprias para o consumo humano, ou até mesmo para usos menos exigentes, como a irrigação de hortaliças e plantas, necessitando serem tratadas previamente para tais usos. Nesta análise deve-se considerar que devido ao ciclo hidrológico, aos movimentos das águas em seus mananciais, as interações das águas com os meios sólidos e gasosos promovem alterações em sua composição, no sentido de promover a sua deterioração ou depuração, ou até mesmo uma associação entre ambos, dependendo do caso em questão. A poluição então está associada à alteração das condições naturais em um determinado manancial que se encontra em equilíbrio ambiental. Os efeitos adversos provocados pela qualidade da água para um determinado fim serão resultantes das condições naturais do manancial e da interferência promovida pelo homem no mesmo.
1.2. Ocorrência das Águas
A água é essencial para a existência da vida em nosso planeta. Todas as reações bioquímicas ocorrem em meio aquoso, pelo transporte de íons através das membranas celulares. O direito à água é um dos direitos fundamentais do ser humano: o direito à vida, tal qual é estipulado no Art. 30 de Declaração Universal dos Direitos Humanos.
A Terra é chamada muitas vezes como “o planeta água”, pois 2/3 de nossa superfície é ocupada pelos oceanos. Estima-se que a quantidade de água livre sobre a terra é de 1.370 milhões de Km3. Por este motivo, até alguns anos atrás não se dava importância à sua preservação, imaginando que este seria um bem inesgotável. Realmente, se olharmos somente os números de uma forma fria, disponibilidade de água não seria um problema. Porém, se observarmos um pouco mais profundamente sobre como estas águas ocorrem e sua distribuição na terra o quadro pode ficar bem diferente. A Tabela 1.1 apresenta a distribuição das águas no Planeta Terra.
Observa-se que a grande maioria destas águas encontra-se no mar e, portanto, não disponíveis para o consumo humano direto. Esta água poderia ser dessalinizada, porém os custos desta operação são muito elevados, inviabilizando à princípio seu uso. Da mesma forma, as águas que encontram-se em geleiras e em grandes profundidades, exigiriam investimentos muito grandes para sua viabilização de uso para abastecimento. As águas que estão mais disponíveis para o uso direto ao consumo e com o menor investimento são as águas subterrâneas de baixa profundidade e as dos rios e lagos.
Tabela 1.1: Distribuição das águas na Terra 97,40% Oceanos (águas salgadas) 2,30% Geleiras polares e glaciais
Águas subterrâneas em grandes profundidades (> 800 m) 0,29% Águas subterrâneas em baixa profundidade (< 800 m)
0,01% Rios e lagos
As águas subterrâneas de baixa profundidade são utilizadas para abastecimento de pequenas comunidades, não sendo viável para grandes centros urbanos. Neste caso, os rios e lagos naturais ou artificiais, como barragens, são os mais indicados. No entanto, são justamente estes mananciais que são mais vulneráveis à interferência do homem.
A quantidade de água na terra que estaria mais facilmente disponível para consumo humano é de 4.149.200 Km3, o que seria suficiente para abastecer o planeta de água sem que houvesse preocupação com a sua disponibilidade, porém, deve-se considerar uma série de fatores, principalmente a distribuição da mesma por regiões e a contaminação dos mananciais.
1.3. Ciclo da Água
A ocorrência das águas no planeta e sua distribuição estão vinculadas ao ciclo hidrológico a que estão submetidas. As águas encontram-se em constante movimento e transformam-se de um estado da matéria em outro, dependendo das circunstâncias em que se encontram. A Figura 1.1 apresenta o ciclo hidrológico da água ou mais comumente chamado de ciclo da água.
Figura 1.1: O ciclo hidrológico da água
Fonte: www.riolagos.com.br/calsj/ciclo-agua.htm Escoamento superficial
Os mecanismos de transferência da água são: a evaporação da água em contato direto com o sol e os ventos, dependendo da temperatura e da umidade relativa do ar; a transpiração das plantas e dos animais da água contida em seus corpos; a precipitação da água que foi vaporizada podendo estar na forma de chuva, neve granizo ou orvalho; a água que chega em terra poderá escoar na superfície (escoamento superficial) formando rios e lagos ou poderá escoar para dentro da terra (infiltração), formando os lençóis d’água (água subterrânea).
As águas superficiais irão escoar e uma parte irá infiltrar-se na terra e outra parte irá evaporar-se. Os excedentes desta água irão para o mar e posteriormente serão evaporadas. As águas subterrâneas também estão em movimento, podendo ser armazenadas em mananciais subterrâneos ou aflorarem na forma de rios, lagos ou fontes naturais.
Durante estas transformações a água poderá sofrer alterações de seu estado natural, podendo ser contaminada não necessariamente na sua origem, mas pelo caminho percorrido até chegar ao manancial.
1.4. Indicadores de Qualidade da Água.
A água é um composto inorgânico, possuindo 2 átomos de hidrogênio e 1 de oxigênio, ligados por ligações covalentes, formando um ângulo de 105o, de tal forma que as cargas positiva e negativa não sejam concêntricas, conferindo a característica polar à água. A Figura 1.2 apresenta um desenho da molécula da água. Devido à característica polar de sua molécula química a água é um solvente poderoso e pode ser atraída por campos magnéticos. A água é dissociada em íons H+ e OH-, conferindo-lhe um pH neutro. À temperatura ambiente (> 0oC) encontra-se no estado líquido. A água na sua característica original não apresenta cor, odor ou sabor.
Figura 1.2: Molécula da água
À medida que vão sendo introduzidos outros elementos às moléculas de água estes vão conferindo propriedades que podem afastá-la de suas características originais. Segundo Mota (1997), as condições naturais de ocorrência da água são determinadas através de diversos parâmetros, representando suas características físicas, químicas e biológicas, conforme discriminadas a seguir:
INDICADORES DE QUALIDADE FÍSICA
- Cor: resulta da existência, na água, de substâncias em solução, tais como o Fe, Mn, matéria orgânica, algas, corantes, resinas e uma série de outras substâncias de origem natural ou introduzida pelo homem. A cor por si só não se constitui em um elemento tóxico prejudicial à saúde humana, mas como não se conhece a sua origem existe um risco potencial à saúde se esta for utilizada para fins de consumo ou contato direto.
+
H H
+
O
−
- Sabor e odor: resultam de causas naturais (algas, vegetação em decomposição, bactérias, fungos, compostos orgânicos, etc.) e artificiais (esgotos domésticos e industriais). Podem não estar associados a riscos contra a saúde, porém, da mesma forma como a cor, existe um risco potencial de contaminação. A água deve ser isenta de qualquer cor odor ou sabor para o consumo direto.
- Turbidez: A presença de material em suspensão na água interfere na passagem da luz, conferindo uma aparência turva chamada turbidez. Sua origem também pode ser natural (partículas de rocha, argila, algas, microrganismos) ou de origem artificial (esgotos domésticos e industriais, erosão). Um dos problemas associados a turbidez é que estas partículas podem servir de suporte para microrganismos patogênicos impedindo a sua eficiente desinfecção e também servir de sorvente de compostos químicos tóxicos do meio aumentando sua concentração de forma localizada.
- Temperatura: A temperatura influi nas propriedades da água, altera as velocidades das reações químicas e biológicas, altera a solubilidade de compostos químicos de origem orgânica ou inorgânica e interferem na solubilidade dos gases. A temperatura da água deve ser mantida em valores próximos de sua ocorrência natural para não alterar o equilíbrio de seu ecossistema.
INDICADORES DE QUALIDADE QUÍMICA
- pH: É o potencial hidrogênio que mede o equilíbrio entre as espécies químicas de caráter ácido e básico. A sua escala varia entre 0 e 14 e o perfeito equilíbrio entre as espécies químicas encontra-se em pH = 7. Valores diferentes da neutralidade vão conferir um caráter agressivo à água, podendo provocar prejuízos não só à vida dos organismos mas também aos materiais. O pH interfere em todas as reações químicas e bioquímicas, além de interferir nas conformações espaciais das moléculas.
- Alcalinidade: São sais alcalinos dissolvidos na água, principalmente Na e Ca, que terão a capacidade de reagir com os íons H+ neutralizando-os. Ao efeito de resistência à mudança de pH do meio dá-se o nome de efeito tampão. Os principais constituintes da alcalinidade são os bicarbonatos (HCO3-), carbonato (CO32-) e os hidróxidos (OH-). Maiores detalhes
sobre o pH e a alcalinidade estão descritos no Capítulo II.1.
- Dureza: A dureza resulta da presença de sais alcalinos terrosos (Ca e Mg), ou de outros metais bivalentes. Estes cátions podem reagir na água formando precipitados reduzindo a formação de espuma do sabão e provoca incrustações nas tubulações de caldeiras. Causa sabor desagradável e efeitos laxativos. Estes sais podem ser de origem natural ou antropogênica.
- Ferro e manganês: O ferro e o manganês são íons que estão presentes nos solos e podem ser introduzidos na água. Estes compostos quando no seu estado oxidado apresentam-se insolúveis, causando coloração avermelhada ou marrom à água, promovendo manchas em roupas. Além disso, conferem sabor e propiciam o desenvolvimento de ferrobactérias causadoras de mau cheiro, coloração e incrustações.
- Cloretos: Os cloretos são provenientes de sais dissolvidos de minerais ou por introdução de águas salgadas. Os esgotos domésticos e industriais também podem introduzir cloretos na água. Além disso, o desinfetante mais utilizado no tratamento de águas de abastecimento são sais de cloro, deixando um residual perceptível quando consumido. Os cloretos conferem sabor salgado e propriedades laxativas à água
- Fluorêtos: em concentrações adequadas são benéficos no combate às cáries, porém, em concentrações elevadas causam a fluorose dentária (mancha escura nos dentes). Por lei, estes são adicionados à água como um programa de erradicação de cáries em populações carentes.
- Oxigênio dissolvido: A grande maioria dos seres vivos na superfície terrestre utiliza o oxigênio como receptor final de elétrons nas suas reações para geração de energia
(catabólicas). A concentração de oxigênio dissolvido na água pura é de aproximadamente 7,5 mg/L a 30oC, quando em equilíbrio com a atmosfera (APHA, AWWA, WEF. ,1995). É uma concentração muito baixa, mas suficiente para manter as espécies aquáticas existentes. Umas espécies são mais exigentes outras menos, havendo uma variação de espécies presentes dependendo do nível de oxigênio dissolvido na água. Qualquer elemento que esteja presente que possa reduzir a concentração do oxigênio dissolvido é considerado poluente.
- Matéria orgânica: A matéria orgânica é a fonte de carbono para os microrganismos heterotróficos. Se houver a presença de microrganismos heterotróficos aeróbios, estes consumirão o oxigênio dissolvido para o seu metabolismo. Caso não haja oxigênio disponível, os microrganismos anaeróbios degradam a matéria orgânica gerando gases que podem ser mau cheirosos, como o H2S e ácidos voláteis. Além disso, podem causar
problemas conferindo: cor, sabor e turbidez à água. A concentração de matéria orgânica é medida em termos de demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO) ou por carbono orgânico total (COT). Algumas vezes, quando conveniente, a concentração de matéria orgânica pode ser expressa na forma de sólidos voláteis (SV). Os métodos analíticos para sua determinação encontram-se no Capítulo 3. - Nitrogênio e Fósforo: Os organismos autotróficos fotossintetizantes presentes em
ambientes aquáticos naturais têm seu crescimento limitado pela presença de nutrientes (N e P). Quando estes são lançados nestes mananciais através de esgotos sanitários ou efluentes industriais permitem o crescimento destes organismos, principalmente o de algas. Estas algas promovem a turvação da água impedindo a passagem de luz. Após seu ciclo de vida, as algas morrem e depositam-se no fundo do manancial sendo então degradadas pelas bactérias heterotróficas presentes no meio. A princípio são degradadas pelas bactérias aeróbias que consomem o oxigênio do meio, prejudicando a sobrevivência dos organismos aquáticos. Após o fim do oxigênio, bactéria anaeróbias continuam a degradação, produzindo gases, levando à flotação do material depositado aumentando a concentração de material em suspensão. A este fenômeno dá-se o nome de eutrofização. - Outros compostos inorgânicos e orgânicos: vários compostos orgânicos e inorgânicos
são tóxicos aos organismos vivos, não devendo ser lançados na água. Estes são provenientes do lançamento de esgotos à água, principalmente de origem industrial.
INDICADORES DE QUALIDADE BIOLÓGICA
São vários os microrganismos presentes na água sendo alguns deles prejudiciais à saúde, devendo ser controlados. Diferentes tipos de bactérias, vírus e protozoários podem transmitir doenças através da ingestão da mesma. Dentre estes aquele de maior preocupação é de origem bacteriana. A potencialidade de uma água transmitir doenças pode ser medida de uma forma indireta através de microrganismos indicadores. Estes microrganismos indicadores são bacterianos, possuindo comportamento similar aos outros de mesma classe, e devem estar presentes na flora intestinal de animais de sangue quente, onde estes se desenvolvem. Os microrganismos indicadores usados são os coliformes totais e fecais. O microrganismo mais abundante nos coliformes fecais é a Escherichia coli (~80%), por isso, muitas vezes é medida a quantidade deste microrganismo para expressar a quantidade de coliformes fecais, devido à sua facilidade de detecção. A sua presença não necessariamente significa que a água está contaminada com microrganismos patogênicos, mas indica que houve contato com os seres de sangue quente e que há um potencial risco de contaminação. Além dos coliformes algumas vezes se faz necessário o acompanhamento mais específico de outros microrganismos como a presença de giárdia e de ovos de helmintos.
1.5. Padrões de Qualidade da Água
Antes de estabelecer parâmetros para o lançamento de poluentes na água deve-se estabelecer os padrões de qualidade destas águas. Os teores máximos de impurezas permitidos na água são estabelecidos em função dos seus usos. Sendo assim, os mananciais são classificados pela sua pureza e destino e também em função da salinidade da água. Águas doces são aquelas com salinidade inferior a 0,5%, águas salobras têm salinidade maior que 0,5 e menor que 30% e águas salgadas tem salinidade maior que 30%. A Tabela 1.2 apresenta a classificação das águas doces segundo seus principais usos no Brasil.
Tabela 1.2: Classificação das águas segundo seus usos principais, de acordo com a Resolução no 357, de 17/03/2005 do CONAMA. CLASSE USOS Classe Especial Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4
• Abastecimento para consumo humano com desinfecção • Preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas
• Preservação dos ambientes aquáticos em unidades de conservação e proteção integral
• Abastecimento doméstico, após tratamento simplificado • Preservação das comunidades aquáticas
• Recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho, conforme resolução do CONAMA no 274 de 2000.
• Irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e de frutas que se desenvolvem rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoção de película
• Proteção das comunidades aquáticas em terras indígenas • Abastecimento doméstico, após tratamento convencional • Preservação das comunidades aquáticas
• Recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho, conforme resolução do CONAMA no 274 de 2000.
• Irrigação de hortaliças, plantas frutíferas e de parques, jardins e campos de esporte e lazer, com os quais o público possa a vir a ter contato direto • Aqüicultura e atividade de pesca
• Abastecimento e consumo humano, após tratamento convencional • Irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras
• Pesca amadora
• Recreação e contato secundário • Dessedentação de animais • Navegação
• Harmonia paisagística
Percebe-se que a classificação das águas doces considera a existência de mananciais de qualidade variável, desde um grau de pureza elevado até águas para usos pouco nobres. Percebe-se também que todas as águas, exceto a de classe 4 pode ser usada para abastecimento, desde que seja adequadamente tratada.
Após esta classificação, há a necessidade de se estabelecer parâmetros que caracterizem as águas segundo a sua classificação. A Tabela 1.3 apresenta alguns dos parâmetros mais importantes utilizados no Brasil.
Tabela 1.3: Alguns parâmetros para as classes de água doces de acordo com a Resolução no 357, de 17/03/2005do CONAMA. CLASSE PARÂMETROS (LIMITES) ESPEC 1 2 3 4 Coliforme Termotolerante (ou E. coli) (NMP/100 ml) * 200 (1) 1000 2500(2) 1000(3) 4000(4) -
Óleos e Graxas (mg/l) * ... ... ... Irrid.
DBO (mg/l) * ≤ 3,0 ≤ 5,0 ≤10,0 - OD (mg/l) * ≥ 6,0 ≥ 5,0 ≥ 4,0 ≥ 2,0 Turbidez (UNT) * 40 100 100 - PH * 6,0 a 9,0 6,0 a 9,0 6,0 a 9,0 6,0 a 9,0 Nitrito (mg/l) * 1,0 1,0 1,0 - Nitrato (mg/l) * 10,0 10,0 10,0 - residuos sólidos * ... ... ... ... corantes * ... ... ... - Materiais flutuantes * ... ... ... ... Odor ou sabor * ... ... ... -
Sólidos dissolvidos totais (mg/L)
* 500 500 500 -
Cor (mg Pt/L) * - 75 75 -
OBS: * devem ser mantidas as características originais da água na origem; ... virtualmente ausente; - não existe padrão; Irid. toleram-se iridescências
(1) para demais usos que não seja de recreação (esta definida pela Resolução do CONAMA no
274de 2000)
(2) recreação (3) dessedentação (4) demais usos
O CONAMA também define os principais padrões de para balneabilidade e padrões para uso de águas para irrigação, que não são abordados neste livro.
Além destes, o CONAMA também define padrões de potabilidade da água, e os padrões de lançamento de águas residuárias. Estes padrões de qualidade das águas são utilizados pelos órgãos de poluição locais, redefinindo os seus padrões em função das necessidades específicas de cada região. Porém, os padrões definidos pelo CONAMA são as concentrações mínimas que devem ser atingidas, implicando em que qualquer parâmetro redefinido por um órgão local deve atingir concentrações iguais ou inferiores às da legislação federal.
Observa-se que os valores apresentados na Tabela 1.3 são indicativos da qualidade dos mananciais não sendo os parâmetros de lançamento das águas residuárias. Estes valores significam que a soma dos lançamentos em um determinado manancial, em conjunto com as águas que são alimentadas no mesmo não devem ultrapassar estes valores, ou seja, não devem ser suficientes para mudar a sua classificação.
PADRÕES DE POTABILIDADE
Os padrões de potabilidade são definidos pela Portaria no 30/90 do Ministério da Saúde e os seus valores estão apresentados na Tabela 1.4, além dos seguintes parâmetros: - pH entre 6,5 e 8,5
- Coliformes fecais: ausência em 100 ml de amostra
- Cloro residual livre: concentração mínima de 0,2 mg/l em qualquer ponto da rede distribuidora
Tabela 1.4: Valores máximos permissíveis (VMP) para as características da água potável (Portaria no 36 de 19/01/90 do Ministério da Saúde).
CARACTERÍSTICAS UNI D VMP CARACTERÍSTICAS UNID VMP I.Físicas e Organolépticas Cor aparente Odor Sabor Turbidez II. Químicas IIa. Componentes Inorgânicos Arcênio Bário Cádmio Chumbo Cianetos Cromo total Fluoretos Mercúrio Nitratos (N) Prata Selênio IIb. Componentes Orgânicos Aldrin e Dieldrin Benzeno Benzeno-a-pireno Clordano (total de isômeros) DDT Endrin uH (1) uT (2) mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l 5 (3) ñ obje. ñ obje. 1 (4) 0,05 1,0 0,005 0,05 0,1 0,05 (5) 0,001 10 0,05 0,01 0,03 10 0,01 0,3 1 0,2 Heptacloro Hexaclorobenzeno Lindano Metoxicloro Pentaclorofenol Tetracloreto de carbono Tetracloroeteno Toxafeno Tricloroeteno Trihalometanos 1,1 Diclororeteno 1,2 Dicloroetano 2,4,6 Triclorofenol IIb. Componentes que afetam a qualidade organoléptica Alumínio Agentes tensoativos Cloretos (Cl) Cobre
Dureza total (CaCO3)
Ferro total Manganês
Sólidos totais dissolvidos Sulfatos (SO4) Zinco µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg /l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 0,1 0,001 3 30 10 3 10 5,0 30 100 (6) 0,3 10 10 (7) 0,2 (8) 0,2 250 1,0 500 0,3 0,1 1000 400 5
(1) uH é a unidade de escala de Hazen (de platina - cobalto).
(2) uT é a unidade de turbidez, seja unidade de Jackson ou nefelométrica
(3) Para a cor aparente o VMP é 5 (cinco) uH para água entrando no sistema de distribuição. O VMP de 15 (quinze) uH é permitido em pontos da rede de distribuição.
(4) Para a turbidez o VMP é 10 uT para a água entrando no sistema de distribuição. O VMP de 5,0 uT é permitido em pontos da rede de distribuição se for demonstrado que a desinfecção não é comprometida pelo uso desse valor menos exigente.
(5) Os valores recomendados para a concentração do íon fluoreto em função da média das temperaturas máximas diárias do ar deverão atender à legislação em vigor.
(6) Sujeito à revisão em função dos estudos toxicológicos em andamento. A remoção ou prevenção de trihalometanos não deverá prejudicar à eficiência da desinfecção.
(7) Concentração limiar de odor de 0,1 ug/L
Normalmente, quando se realizam análises de potabilidade da água, referem-se às características organolépticas, o pH, os coliformes totais e fecais, o cloro residual e, dependendo do caso, algumas análises do grupo IIb da Tabela 1.4. As outras determinações são realizadas em casos especiais quando há risco de contaminação por algum destes componentes específicos devido às atividades agrícolas e industrias da região.
PADRÕES DE LANÇAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS
O CONAMA também dá diretrizes básicas para o estabelecimento de padrões de qualidade para o lançamento de águas residuárias em corpos d’água, no entanto, é delegado aos órgãos estaduais de controle da poluição o estabelecimento de parâmetros que julgue serem mais adequados aos casos específicos de suas regiões. A legislação local deve ser minimamente aquelas sugeridas pelo CONAMA podendo estes órgãos ter padrões mais exigentes, porém nunca menos exigentes. A Tabela 1.5 apresenta estes padrões definidos pelo CONAMA.
Tabela 1.5: Padrões de qualidade do efluente industrial segundo a Resolução no 357, de 17/03/2005 do CONAMA.
CARACTERÍSTICAS UNID. VMP CARACTERÍSTICAS UNID. VMP I.Físico-Químicas PH Temperatura Sólidos sedimentáveis II. Químicas IIa. Componentes Inorgânicos Arcênio total Bário Boro total Cádmio total Chumbo Cianetos Cobre Cromo total Estanho Ferro total Fluoretos Manganês (+2) solúvel Faixa oC ml/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 5 a 9 40 1,0 0,5 5,0 5,0 0,2 0,5 0,2 1,0 0,5 4,0 15,0 10,0 1,0 Mercúrio total Nitrogênio amoniacal Níquel total Prata total Selênio Sulfêtos Zinco total IIb. Componentes Orgânicos Clorofórmio Dicloroeteno Tricloroeteno Tetracloreto de carbono Fenóis Óleos minerais
Óleos vegetais e gorduras animais mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/L mg/l mg/l mg/l mg/l mg/L 0,01 20,0 2,0 0,1 0,3 1,0 5,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 20,0 20
Um parâmetro de especial atenção é a concentração de matéria orgânica. O CONAMA deixa livre para os órgãos estaduais definirem a concentração que deve ser exigida no
lançamento dos efluentes. Geralmente neste quesito os órgãos estaduais exigem uma concentração de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5) de 60 mg de O2/L, ou reduzir
pelo menos 80% da concentração inicial de matéria orgânica. A redução de 80% para alguns efluentes industriais pode ainda significar concentrações elevadíssimas, ficando a critério do órgão controlador a decisão de permitir o lançamento do efluente em função do manancial. Como será visto no Capítulo 3, a DBO é um parâmetro que requer algum cuidado no uso de seus resultados, por isso, alguns estados estão lançando mão do uso da determinação da Demanda Química de Oxigênio (DQO), em conjunto com a DBO, para avaliar o grau de impacto do lançamento de efluentes em cursos d’água.
1.6. Fontes de poluição e seus efeitos
Várias são as fontes de poluição das águas e seus efeitos nocivos ao homem. Estas fontes podem ser pontuais ou difusas. As fontes pontuais geralmente possuem elevadas concentrações de poluentes descarregadas em um único ponto, como a descarga de uma água residuária industrial em um rio local. Já as fontes difusas, geralmente são diluídas e distribuídas em vários pontos do manancial, como a drenagem pluvial de defensivos agrícolas.
As conseqüências da poluição hídrica envolvem: prejuízos ao abastecimento humano, tornando-se veículo de transmissão de doenças; prejuízos a outros usos da água, tais como industrial, irrigação, pesca, recreação, etc.; agravamento dos problemas de escassez de água de boa qualidade; elevação do custo do tratamento da água, refletindo-se no preço a ser pago pela população; assoreamento dos mananciais, resultando em problemas de diminuição da oferta de água e de inundações; prejuízos aos peixes e a outros organismos aquáticos; desequilíbrios ecológicos; proliferação excessiva de algas e de vegetação aquática, com suas conseqüências negativas; degradação da paisagem; desvalorização das propriedades marginais; impactos sobre a qualidade de vida da população
A seguir são apresentadas algumas das principais fontes de poluição das águas, a sua origem e suas conseqüências:
POLUIÇÃO DAS ÁGUAS SUPERFICIAIS
- Esgotos domésticos: Provenientes da atividade humana. Possuem matéria orgânica em concentrações relativamente baixas quando comparadas com efluentes industrias, porém ainda suficiente para desenvolver microrganismos heterotróficos aeróbios que irão consumir o oxigênio da água. Outra preocupação da contaminação com esgotos domésticos é a presença de coliformes fecais indicando a potencialidade de conter microrganismos que transmitem doenças. Além destes, outros problemas associados ao esgoto sanitário estão a cor, odor, sabor, turbidez e uma série de outros compostos orgânicos e inorgânicos ainda não controlados pelo CONAMA. Os esgotos domésticos são os maiores responsáveis pela poluição hídrica devido aos grandes volumes envolvidos, à descentralização de sua geração e a precários sistemas de tratamento implantados.
- Esgotos industriais: Provenientes da atividade industrial podendo ter uma composição diversa dependendo do seu ramo. Alguns possuem alta concentração de matéria orgânica e outros compostos tóxicos e recalcitrantes. Grandes desafios são enfrentados para o desenvolvimento de tecnologias adequadas ao tratamento destas águas.
- Águas pluviais: Estas águas podem carregar impurezas da superfície do solo ou contendo esgotos lançados nas galerias. Normalmente carregam consigo resíduos de origem urbana e são lançados na natureza de forma pontual, ou resíduos de origem rural, como pesticidas e fertilizantes de forma dispersa.
- Resíduos sólidos (lixo): O lixo urbano acondicionado de forma inadequada libera um líquido percolado chamado de chorume que contém altas concentrações de matéria orgânica e de metais pesados, além de uma infinidade de compostos orgânicos. A precipitação das chuvas auxilia na lixiviação destes compostos aumentando os riscos de contaminação.
- Precipitação de poluentes atmosféricos: Poluentes atmosféricos podem ser carreados pelas chuvas aos mananciais hídricos. Dentre os poluentes mais comuns encontram-se os ácidos sulfúrico e nítrico pela conversão de gases contendo SOx e NOx na atmosfera.
- Erosão: Alterações nas margens dos mananciais, como o desmatamento, provocando a remoção de solo e conseqüente assoreamento dos mananciais.
- Acidentes industriais: Acidentes provocados pelo manuseio e transporte de compostos químicos em mananciais ou em regiões próximas.
POLUIÇÃO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS
- Infiltração de esgotos domésticos: Muitos municípios não possuem sistema de coleta e tratamento dos esgotos domésticos. Como alternativa de tratamento, as residências possuem sistema de fossa séptica e dispersão no solo (sumidouros ou valas de infiltração). Outra forma muito comum é o uso de sistemas de tratamento usando lagoas de estabilização ou em outro sistema usando deposição no solo, como o sistema de fertirrigação, usado de forma não controlada.
- Infiltração do chorume: Resultante de depósitos de lixo no solo sem prévia impermeabilização e acondicionamento.
- Infiltração de águas pluviais: Estas águas carreiam pesticidas, fertilizantes, detergentes e poluentes atmosféricos depositados no solo.
- Vazamentos de tubulações ou depósitos subterrâneos: Acidentes provocados pelo manuseio e transporte de compostos químicos em mananciais ou em regiões próximas - Injeção de águas no subsolo: a injeção de águas no subsolo pode ser praticada para o
tratamento destas águas, como o esgoto sanitário, ou para extrair compostos de interesse comercial, como a injeção de água salgada na extração do petróleo.
- Resíduos de outras fontes: percolados de cemitérios, minas, depósito de material radioativo, e uma série de outras atividades.
AUTODEPURAÇÃO DOS CORPOS D’ÁGUA
O impacto que as águas residuárias causam ao meio ambiente depende muito da sua composição química, da quantidade e da velocidade com que estes são lançados ao meio ambiente e da capacidade daquele ambiente natural em neutralizar os efeitos adversos causados pelos poluentes através das próprias características ambiente específico. A esta capacidade de recuperação do ambiente natural por recursos próprios dá-se o nome de efeito de autodepuração.
Um ecossistema antes de sofrer o lançamento de poluentes encontra-se num estado de equilíbrio físico, químico e biológico, de tal forma que as reações interativas entre seus meios permaneça de forma global constantes. Quando introduzimos um composto estranho ao ambiente este irá reagir à perturbação tendendo a voltar ao equilíbrio anterior. Dependendo da magnitude desta perturbação o ecossistema poderá atingir outro estado de equilíbrio diferente do original, o que seria indesejável. Portanto, deve-se conhecer com a maior precisão possível a capacidade de autodepuração do manancial em questão, frente ao poluente que está sendo introduzido no mesmo. Este conhecimento é de grande valia, auxiliando na definição da utilização da capacidade do manancial em funcionar como um sistema de tratamento do resíduo e impedir que sejam lançados resíduos em quantidades acima desta capacidade.
Este conceito se aplica, a princípio, a qualquer composto poluente e a qualquer ambiente natural, porém, para ilustrar este conceito, um exemplo da capacidade de autodepuração de um rio quando lançado uma corrente de esgoto sanitário é apresentado a seguir na Figura 1.3.
A figura mostra que ao ser lançado um esgoto sanitário em um ponto específico de um rio, contendo principalmente matéria orgânica como poluente primário, a princípio a
concentração de oxigênio dissolvido (OD) na água cai pela dissolução dos compostos químicos no meio. Logo após, essa concentração começa a cair mais devido a atividade dos microrganismos heteretróficos aeróbios que consomem também a matéria orgânica (DBO) lançada no meio. Com este metabolismo, a concentração dos microrganismos cresce até que a concentração de substrato (matéria orgânica) já não seja suficiente para sustentar o
crescimento dos microrganismos. A partir deste momento, o rio com o seu contato com a atmosfera e com a sua agitação natural reaera o sistema voltando a crescer a sua concentração
dissolvida no meio. No final do processo, os microrganismos voltam a concentrações próximas às anteriores, devido à morte dos mesmos pela falta de substrato e o oxigênio dissolvido também assume valores próximos aos originais.
• Zona de degradação: água com aspecto escuro e sujo; DBO atinge o valor máximo no ponto de lançamento, porém começa a cair com a atividade dos microrganismos heterotróficos aeróbios; sólidos sedimentam; amônia é produzida;
• Zona de decomposição ativa: o teor de oxigênio atinge o mínimo podendo atingir condições anaeróbias; DBO continua decrescendo com a atividade de microrganismos aeróbios e anaeróbios; oxigênio é re-introduzido no sistema pela aeração e pela diminuição da atividade dos microrganismos;
• Zona de recuperação: a atividade microbiana é muito baixa devido a grande parte da matéria orgânica ter sido degradada; a re-aeração excede a desoxigenação; nitrogênio predomina na forma de nitritos e nitratos; proliferação de algas; peixes e outros organismos retornam ao sistema;
• Zona de águas limpas: retorno às condições de origem, porém, não exatamente às características iniciais, verificadas pela presença de nitratos, fosfatos, sais dissolvidos que antes não haviam.
Figura 1.3: Lançamento de esgotos nos corpos d’água e o efeito de autodepuração. FONTE: Mota (1997)
Esgoto (matéria orgânica) fluxo do rio Oxigênio Dissolvido (OD) Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) Conc. Celular (bactérias aeróbias heterotróficas) Comprimento do rio Zona de degradação Zona de decomposição Zona de recuperação Zona de águas limpas
1.7 Águas residuárias e seus tratamentos
A associação da transmissão de doenças via hídrica com os resíduos lançados em mananciais datam de pouco mais de 100 anos. A partir de então, as águas residuárias domésticas, ou esgotos sanitários, passaram a receber especial atenção com relação ao seu destino final. Já as águas residuárias industriais, efluentes de processos de fabricação específicos, somente vieram a ser de importância após a revolução industrial, ou seja, quando estes passaram a ser produzidos em grande escala. Durante o século XX o desenvolvimento econômico de um país foi diretamente relacionado com o desenvolvimento agrícola e industrial e através da exploração de seus recursos naturais, o que vem mudando um pouco esta perspectiva no século XXI. Este desenvolvimento se deu sem uma maior preocupação com as conseqüências ao meio ambiente, gerando um passivo ambiental considerável. Atualmente, os países desenvolvidos vêm centrando esforços para reverter a situação remediando os ambientes contaminados e tratando suas águas residuárias em níveis de purificação cada vez mais exigentes. No entanto, a geração de bens de consumo para suportar o crescimento econômico, associado às necessidades básicas de sobrevivência do ser humano, minimizando os impactos ambientais causados pela atividade do homem, continuam a ser grandes desafios, principalmente para países em desenvolvimento. Esta consciência das diferenças entre os países desenvolvidos e em desenvolvimento é fundamental, pois a economia mundial está cada vez mais associada aos investimentos nas questões ambientais o que poderá abrir um grande abismo entre estas nações. Cumprir as determinações das leis é preciso, porém, de forma sustentável.
Na definição de um processo de tratamento de resíduos será selecionada a tecnologia que melhor se adequa àquela situação, sendo a decisão tomada em relação ao nível de desenvolvimento da tecnologia e dos custos envolvidos, conforme a realidade do local de suas instalações. Para a tomada de decisão deve-se primeiro analisar as características da água residuária para então verificar qual é o nível de tratamento que deve ser aplicado para chegar aos parâmetros exigidos pela legislação.
Dentre as principais características das águas residuárias deve-se estar atento para aquelas que definem a necessidade de uma ou mais etapas de processo, as quais serão descritas a seguir:
Vazão
A vazão é um dos principais parâmetros que irá definir o tamanho dos tanques que irão compor a planta de tratamento. Deve-se verificar a sua variação ao longo de um período de trabalho para que se possa definir a necessidade de promover sua equalização. O projeto de uma planta de tratamento poderá considerar a vazão de pico ou poderá, após um tanque de equalização, ser utilizada a vazão média para os cálculos.
pH
O pH, como visto anteriormente, é essencial tanto para regular as reações químicas como as reações bioquímicas. Altera o equilíbrio das reações, influencia as interações físico-químicas de adsorção, modifica a conformação de enzimas, interfere no transporte de íons para dentro de células vivas, altera o estado de oxidação de compostos químicos dissolvidos, além de ser muito importante na seleção de materiais de construção de tanques com relação aos seus efeitos corrosivos. Muitos processos podem ter necessidade de correção do pH antes de sua introdução no tanque de reação e outros serão modificados à medida que as reações ocorrem, havendo necessidade de um monitoramento e correção contínuos. Este é um dos parâmetros que se pode facilmente medir e controlar on-line em plantas de tratamento mais sofisticadas.
Temperatura
A temperatura é um parâmetro muito importante. De forma equivalente ao pH, a temperatura influi na velocidade das reações químicas e bioquímicas, influi na estabilidade das enzimas e modifica as propriedades do meio, como viscosidade e densidade. A temperatura também pode ser medida e monitorada facilmente em plantas de tratamento de efluentes.
Sólidos em suspensão:
A presença de sólidos em suspensão na água residuária deve ser analisada com cuidado, dependendo de sua natureza. Se os sólidos forem majoritariamente inorgânicos estes devem ser removidos antes de serem alimentados para o sistema de tratamento propriamente dito, pois poderão provocar o assoreamento e abrasão dos equipamentos subseqüentes. Como estes já se encontram num estado da matéria de fácil separação, o uso da força da gravidade através uma câmara de sedimentação é uma opção adequada para sua remoção. Caso os sólidos sejam de origem orgânica, a necessidade de separá-los dependerá de sua concentração e do processo de tratamento que será utilizado. Normalmente estes são separados em sedimentadores e tratados de forma independente da matéria orgânica dissolvida, pois existem tecnologias mais adequadas para cada tipo de resíduo;
Óleos e graxas:
As gorduras (óleos e graxas) são contaminantes presentes em vários efluentes, principalmente aqueles originados na indústria de alimentos. Primeiramente, deve-se avaliar a potencialidade de seu reuso como matéria prima de uma série de produtos, como na fabricação de sabão e na indústria de cosméticos. A sua presença nos processos subseqüentes trás uma série de problemas operacionais, devido às características de aderência às superfícies que possui este material, aumentando a manutenção dos equipamentos e diminuindo a eficiência da degradação dos compostos solúveis em água. A sua remoção é também facilitada pela diferença de densidade entre estes e a água, sendo a flotação a alternativa comumente usada;
Matéria orgânica:
O tipo de matéria orgânica e sua concentração devem ser analisados para auxiliar na escolha do sistema a ser utilizado. Como será visto nos capítulos subseqüentes, uma série de fatores irão influenciar na decisão de que tipo de processo deva ser melhor aplicado em cada caso, seja processos aeróbios ou anaeróbios. A tendência atual é a aplicação dos dois processos, um seguido do outro, para aproveitar as vantagens de ambos, sendo o primeiro considerado o tratamento principal e o segundo como polimento;
Nutrientes:
Os nutrientes de importância são aqueles necessários em grandes quantidades para o crescimento dos microrganismos (macronutrientes), como o nitrogênio, o fósforo e o enxofre. Existem métodos físico-químicos para a remoção destes compostos, como a precipitação e a volatilização (striping), no entanto, recentemente estão sendo desenvolvidos processos biológicos de remoção destes compostos, que também são combinações de processos aeróbios seguidos de anaeróbios, ou vice-versa. Por outro lado, se estes compostos estiverem presentes em quantidades insuficientes para sustentar o crescimento dos microrganismos desejáveis ao processo de degradação, estes devem ser adicionados em quantidades suficientes para este fim;
Compostos tóxicos e recalcitrantes:
A presença de compostos tóxicos aos microrganismos e de compostos de difícil degradação deve ser analisada com cautela. Dependendo da natureza do composto tóxico e de sua concentração seu efeito deve ser neutralizado antes de entrar no reator biológico. Na maioria dos casos contorna-se a situação diluindo-se a água residuária com o próprio efluente tratado antes de ser alimentado no reator biológico. Após o tratamento biológico, estes compostos devem ser removidos por processos físico-químicos específicos, podendo envolver adsorção, troca iônica, oxidação fotocatalítica ou química, e uma série de outros processos; Microrganismos patogênicos:
Os esgotos domésticos, por sua origem, possuem microrganismos patogênicos, indicados pelos coliformes fecais. Após todo o processamento das águas residuárias um elevado grau de inativação destes microrganismos foi realizado, no entanto, normalmente não é suficiente para removê-los aos níveis exigidos pela legislação. Um tratamento por oxidação química normalmente é empregado para atingir os níveis exigidos.
Como exemplo, a Tabela 1.6 apresenta as características do esgoto sanitário. Observa-se nesta tabela que os esgotos sanitários possuem uma concentração de matéria orgânica pouco concentrada, comparada com as características da maioria dos efluentes industriais, o que implica em trabalhar com grandes volumes de líquido em reatores operados a baixos tempos de residência. Nota-se também que estes possuem uma concentração de sólidos em suspensão elevada em relação aos sólidos totais, indicando haver necessidade de uma separação prévia destes sólidos antes de prosseguir com o tratamento biológico. Uma boa parte destes sólidos em suspensão são materiais orgânicos (~80%), indicando haver necessidade de tratamento dos resíduos sólidos separadamente, podendo ser utilizado um processo biológico para tal. Nos sólidos dissolvidos também há uma grande quantidade de matéria orgânica, indicando a viabilidade do uso de processos biológicos para remoção da matéria orgânica. Como complementação, verifica-se que há excesso de nitrogênio e fósforo nestes efluentes, que devem ser removidos ao final do processo, para fins de atendimento aos parâmetros definidos pela legislação. Baseado nestas premissas, a Figura 1.4, apresenta um fluxograma genérico de uma planta de tratamento de esgotos domésticos com seus principais elementos.
Tabela 1.6: Características típicas de esgotos sanitários
Contribuição per capita (g/hab dia) Concentração (mg/L)
Parâmetro
Faixa Típico Faixa Típico
Sólidos Totais • Em suspensão - Fixos - Voláteis • Dissolvidos - Fixos - Voláteis • Sedimentáveis 120-220 35-70 7-14 25-60 85-150 50-90 35-60 - 180 60 10 50 120 70 50 - 700-1350 200-450 40-100 165-350 500-900 300-550 200-350 10-20 1100 400 80 320 700 400 300 15 Matéria orgânica • Determinação indireta - DBO5 - DQO -DBOúltima • Determinação direta - COT 40-60 80-130 60-90 30-60 50 100 75 45 200-500 400-800 350-600 170-350 350 700 500 250 Nitrogênio total (N) • Nitrogênio orgânico (N) • Amônia (N-NH4+) • Nitrito (N-NO2-) • Nitrato (N-NO3-) 6,0-112,0 2,5-5,0 3,5-7,0 ~0 0,0-0,5 8,0 3,5 4,5 ~0 ~0 35-70 15-30 20-40 ~0 0,2 50 20 30 ~0 ~0 Fósforo (P) • Fósforo orgânico (P) • Fósforo inorgânico (P) 1,0-4,5 0,3-1,5 0,7-3,0 2,5 0,8 1,7 5-25 2-8 4-17 14 4 10 pH - - - 7,6,7-7,50 Alcalinidade (CaCO3) 20-30 25 110-170 140 Cloretos 4-8 6 20-50 35 Óleos e graxas 10-30 20 55-170 110
Fonte: adaptado de von Sperling (1996)
Figura 1.4: Fluxograma do Tratamento Convencional de Esgotos Domésticos
Esgoto Gradeamento Caixa de areia Reciclo de lodo Biodigestor Leito de secagem Pós-Tratamento (remoção de nitrogênio e fósforo e/ou desinfecção)
Da mesma forma que para o esgoto sanitário, a Tabela 1.7 apresenta as principais características de alguns efluentes industrias.
Tabela 1.7: Características típicas de alguns efluentes industriais
Gênero Tipo Unid. de
produção Cons. esp. de água (m3/unid) Carga esp. de DBO (kg/unid) Conc. de DBO (mg/L) Alimentícia - Conservas - Doces - Açúcar de cana
- Laticínio sem queijaria - Laticínio com queijaria - Margarina - Matadouros -Produção de levedura 1 ton 1 ton 1 ton açucar 1000 L de leite 1000 L de leite 1 ton 1boi/2,5 porcos 1 ton 4-50 5-25 0,5-10,0 1-10 2-10 20 0,3-0,4 150 30 2-8 2-5 1-4 5-40 30 4-10 1.100 600-7.500 200-1.000 250-5.000 300-2.500 500-4.000 1.500 15.000-20.000 7.500 Bebidas - Destilação de álcool -Cervejaria - Refrigerantes - Vinho 1 ton 1 m3 1 m3 1 m3 60 5-20 2-5 5 220 8-20 3-6 0,25 - 3.500 500-4.000 600-2.000 Têxtil - Algodão - Lã - Rayon - Naylon - Polyester - Lavanderia de lã - Tinturaria - Alvejamento de tecidos 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 120-750 500-600 25-60 100-150 60-130 20-70 20-60 - 150 300 30 45 185 100-250 100-200 16 200-1.500 500-600 500-1.200 350 1.500-3.000 2.000-5.000 2.000-5.000 250-300 Couros e Curtumes - Curtumes - Sapatos 1 ton de pele 1000 pares 20-40 5 20-150 15 1.000-4.000 3.000 Polpa e Papel - Polpa sulfatada - Papel - Polpa e Papel integrados 1 ton 1 ton 1 ton 15-200 30-270 200-250 30 10 60-500 300 - 300-10.000 Indústria Química - Tinta - Sabão - Refinaria de Petróleo - PVC 1 empregado 1 ton 1 barril (117L) 1 ton 0,110 25-200 0,2-0,4 12,5 1 50 0,05 10 10 250-2.000 120-250 800 Indústria Não-metálica - Vidro e subprodutos - Cimento 1 ton 1 ton 50 5 - - - - Siderúrgica - Fundição - Laminação 1 ton gusa 1 ton 3-8 8-50 0,6-1,6 0,4-2,7 100-300 30-200 Fonte: adaptado de von Sperling (1996)
Como pode ser observada na tabela acima a composição de uma água residuária industrial depende em muito do tipo de produção na indústria e é muito diferente das características encontradas nos esgotos domésticos. As possibilidades de processos para o tratamento destes efluentes são várias e dependerá muito da experiência prévia com a água residuária em questão, devido às particularidades não só da produção, mas das práticas cotidianas da fábrica. A composição de uma planta de tratamento de águas residuárias é
complexa e depende de uma série de decisões, podendo variar muito de um projetista para outro. A título de ilustração, a Figura 1.5 apresenta um fluxograma genérico para o tratamento de efluentes industriais.
Uma prática comum realizada no passado e que hoje é evitada, ou não recomendada, é a mistura dos efluentes industriais com os esgotos sanitários, devido a uma série de problemas associados, como diluição dos compostos tóxicos dificultando o seu tratamento. No entanto, não é incomum tratar o efluente industrial e depois lançá-lo na rede de esgotos municipal para sofrer um polimento final.
Figura 1.5: Fluxograma do Tratamento de Efluentes Industriais
É importante ressaltar que as características dos efluentes industriais apresentadas na Tabela I.1.7 está em constante modificação, pois há um movimento no sentido de minimizar a geração de resíduos e economizar insumos, promovendo os programas de reuso e de reciclo de águas e de recuperação de insumos e produtos. Como exemplo, na fabricação de cervejas era comum utilizar 10 a 15 litros de água para produzir 1 litro de cerveja. Atualmente, esta média já ultrapassou a barreira dos 5 litros de água por litro de cerveja produzida, considerada como faixa mínima há alguns anos atrás. Com a minimização do descarte de água no processo a tendência é de aumentar as concentrações de matéria orgânica e dos poluentes encontrados nos efluentes industriais, o que por um lado é interessante do ponto de vista do tratamento dos resíduos orgânicos, mas por outro trás desafios ainda não mensurados para tratar estas águas altamente concentradas em resíduos tóxicos e recalcitrantes.
Pós-Tratamento Biológico ou Físico-Químico Pré-Tratamento Físico-Químico Peneira Efluente Industrial Tanque de Equalização Tratamento Biológico Decantador Leito de Secagem
2. COLETA E PRESERVAÇÃO DE AMOSTRAS
2.1. Introdução
A coleta e preservação de amostras de efluentes são etapas que precedem a análise fisico-química que, junto com outras informações tais como vazão de produção em função do tempo, temperatura, adição de produtos químicos e outras, irão subsidiar o projeto do sistema de tratamento.
Sendo uma atividade que deverá fornecer informações básicas, as quais irão influir decisivamente no desempenho do processo de tratamento, a coleta de amostras deve ser precedida por um planejamento cuidadoso e deve ser realizada de modo a fornecer informações que retratem a realidade da forma mais fiel e acurada possível.
2.2. Planejamento
O planejamento tem por objetivo definir as atividades de coleta, preservação, manuseio e transporte das amostras, de modo a assegurar a obtenção de todas as informações necessárias da forma mais precisa, com o menor custo possível. Esta fase deve definir em detalhes o programa de coleta de amostras, levando em consideração os métodos analíticos que serão aplicados, assim como prever os recursos humanos, materiais e financeiros necessários. Um bom planejamento deverá ser embasado em informações preliminares como:
2.2.1. A geração dos efluentes
É necessário conhecer em detalhes os processos industriais responsáveis pela produção dos efluentes: suas variações ao longo do dia, semana, etc, os insumos empregados, o regime de descarga dos efluentes, o procedimento para a limpeza das instalações, sua freqüência e produtos utilizados para esse fim, e outros detalhes operacionais que influem na qualidade dos efluentes. É necessário também levantar a existência ou a possibilidade de implantar uma separação das correntes provenientes de diferentes operações.
2.2.2. Presença de substâncias químicas potencialmente tóxicas
A toxicidade das substâncias presentes deve ser considerada na definição dos métodos analíticos que serão usados, que por sua vez poderão influir no planejamento da coleta e tratamento das amostras.
2.2.3. Parâmetros físico-químicos de interesse
Para cada parâmetro existe uma forma adequada de coleta e preservação de amostras. Por exemplo, a amostragem para a caracterização da DBO (demanda bioquímica de oxigênio) de um efluente deve levar em conta que a amostra perde a validade em 24 horas. Além disso, é preciso prever o tipo de frasco (se de plástico ou de vidro) a ser utilizado para cada parâmetro, de modo a minimizar erros resultantes da adsorção da espécie química de interesse na parede do recipiente, fator que se torna mais crítico em baixos teores.
2.3. Programa de coleta de amostras
O programa detalhado de coleta de amostras é produto da etapa de planejamento. Deve conter a definição de itens como:
. Pontos de coleta
. Forma de coleta (se pontual, contínua ou composta de frações periódicas) . Freqüência de coleta
. Período de amostragem . Volume da amostra ou fração
. Procedimentos quanto ao manuseio e preservação das amostras . Procedimento para a guarda e transporte das amostras
. Responsável pela amostragem
No ato da coleta das amostras é imprescindível que se leve em conta a vazão do efluente. Por exemplo, se for o caso de uma amostra composta, cada fração deve ser proporcional à vazão no momento da coleta.
É necessário que a pessoa designada para a coleta esteja qualificada quanto a todos os procedimentos envolvidos, e especialmente no manuseio dos produtos químicos a serem adicionados na amostra ou na fração coletada.
O planejamento deve ter previsto também uma infra-estrutura para a refrigeração das amostras e um procedimento para o armazenamento e/ou transporte seguro e rápido ao laboratório de análise.
2.4. Preservação das amostras
As seguintes técnicas são empregadas para a preservação das amostras. 2.4.1. Congelamento
É um método de preservação que pode ser aplicado para aumentar o intervalo de tempo entre a coleta e a análise, para a maior parte dos parâmetros de composição química. Não pode ser usado para a determinação do teor de sólidos filtráveis e não filtráveis ou de qualquer parâmetro nessas frações, pois os componentes dos resíduos em suspensão se alteram com o congelamento e posterior descongelamento.
2.4.2. Refrigeração
É usada quando outras técnicas não podem ser empregadas, como no caso de análises microbiológicas e algumas determinações químicas e biológicas.
2.4.3. Adição de agentes químicos
É o método de preservação mais conveniente, quando possível, pois oferece o maior grau de estabilização da amostra e por maior espaço de tempo. No entanto, não é possível recorrer a adições químicas em casos de determinação de parâmetros biológicos como a DBO (demanda bioquímica de oxigênio), contagem de microrganismos, etc, e em casos de ocorrência de interferências na análise química.
2.5. Recomendações para coleta e preservação de amostras
A Tabela 2.1 apresenta as recomendações da CETESB, 1987, quanto ao tipo de frasco para coleta, quantidade de amostra necessária, forma de preservação e o prazo entre a coleta e o início de análise, para os parâmetros de maior interesse.
A Tabela 2.2 apresenta sugestões dos parâmetros de caracterização por tipo de atividade industrial (Vitoratto, 1993).
Tabela 2.1 - Cuidados na coleta e preservação de amostras: P = polietileno; V = vidro neutro ou borossilicato; R = refrigeração a 4oC (CETESB, 1987)
Parâmetro Frasco Vol. de
amostra (mL)
Preservação Prazo
Acidez P, V 200 R 24 h
Alcalinidade P, V 200 R 24 h
Boro P 100 R 180 d
Carbono Orgânico Total P, V 100 H2SO4 até pH<2; R 7 d
Cianeto P 500 NaOH até pH>12; R menor
possível
Cloreto P, V 200 - 14 d
Cloro residual - - medida em campo -
Condutividade P, V 100 R 24 h
DBO P, V 2.000 R 24 h
DQO P, V 200 H2SO4 até pH<2; R 7 d
Fenóis V, âmbar 1.000 H2SO4 ou HCl até pH<2
ou NaOH até pH>12
menor possível
Fluoreto P 100 R 7 d
Fosfato total P, V 200 H2SO4 até pH<2; R 24 h
Volume de lodo proveta de 1000
mL
1.000 medida em campo -
Mercúrio P, V 250 0,5gK2Cr2O7/L + 50mL
HNO3/L
10 d
Metais P, V 1.000 HNO3 até pH<2 180 d
N amoniacal / orgânico P, V 1.000 H2SO4 até pH<2; R 24 h
Óleos e graxas V, tampa de teflon ou vidro, boca larga 1.000 HCl até pH<2; R 24 h Oxigênio consumido P, V 150 R 24 h
Oxigênio dissolvido frasco de DBO 300 2 mL sulfato manganoso Reagentes para det. OD:
2 mL álcali-iodeto-azida 4-8 h pH P, V 200 R 6 h ST / SV P, V 1.000 R 7 d SST / SSV P, V 1.000 - 24 h Sulfato P, V 200 R 7 d
Sulfeto V 300 Sem ar, 1 mL acetato de
zinco 2N, pH 6-9; R
24 h
Temperatura - - Medida em campo -
Tensoativos P, V 250 R 24 h
Tabela 2.2 - Parâmetros para caracterização de efluentes por atividade industrial: Al. = alimentícia; Beb. = bebidas; Cel. = celulose; Cur. = curtume; Sid. = siderúrgica; Tex. = têxtil (Vitoratto, 1993).
Parâmetro Al. Beb Cel Cur Sid Tex.
N-NH3 x x x x Cianeto x Cloreto x x x Cromo x x x DBO x x x x x x DQO x x x x x x Fenóis x x N total x x x N nitrato x x
Parâmetro Al. Beb Cel Cur Sid Tex.
Óleos e graxas x x x x x x pH x x x x x x ST / SV x x x x x Sólidos Sed. x x x x x x SST/SSV x x x x x x Sulfeto x x x x x Temperatura x x x x x x
3. CARACTERIZAÇÃO DAS ÁGUAS
3.1. Introdução
A caracterização das águas é uma tarefa básica para o equacionamento adequado do problema de tratamento das mesmas. É uma etapa de trabalho que gera informações quanto à composição e vazão da água natural ou residuária, levando em conta as suas variações ao longo do tempo, em função das atividades responsáveis por sua geração.
Visto que se trata de uma etapa que vai subsidiar o projeto do sistema de tratamento, influindo decisivamente no seu desempenho, deve ser realizada de modo a fornecer as informações da forma mais precisa possível.
Além da coleta da amostra, abordada no capítulo anterior, outra tarefa muito importante é a escolha da metodologia apropriada para fazer a determinação dos compostos desejados. As considerações sobre a escolha dos métodos a serem aplicados são as seguintes:
• Propriedades físicas, químicas e físico-químicas dos componentes; • Faixa de concentração a ser determinada;
• Precisão do resultado; • Simplicidade do método;
• Economia de insumos e equipamentos; • Economia de tempo de análise;
• Presença de compostos interferentes na metodologia; • Estabilidade do composto;
3.2. Métodos Analíticos para Caracterização de Águas
Geralmente, existe mais de 1 método analítico para determinar a concentração do composto de interesse. Cada um dos métodos possíveis de serem utilizados na determinação dos compostos possui vantagens e desvantagens quando comparado com os outros, pois é difícil um único método reunir as todas as melhores condições dos quesitos acima mencionados. Na maior parte das vezes a decisão recai sobre a disponibilidade de equipamentos que possui o laboratório analítico. Para se ter uma dimensão da gama de análises realizadas na área de tratamento de águas naturais e residuárias, é apresentado na Tabela 3.1 a seguir um sumário da grande maioria das determinações praticadas nas suas caracterizações, dividindo os componentes por classes e as técnicas de medidas de suas concentrações. Para isto, em consulta às referências da Laurence and Berkeley Laboratory (1986) e ao Standard Methods (1998), agrupou-se uma série de técnicas que estão baseadas em princípios comuns, dando uma visão geral da utilização das mesmas. Por exemplo, as técnicas de potenciometria e eletrodos específicos envolvem a medida de pH, potencial redox, condutividade, amônia, etc.
Esta tabela não pretende estar completa com relação aos componentes a serem analisados e das várias técnicas alternativas que podem ser empregadas, nem tão pouco traz detalhes das metodologias utilizadas em cada caso, pois o assunto é bastante extenso, necessitando uma avaliação mais cuidadosa em cada caso específico, sendo indicada a consulta às referências apontadas.
Observa-se que para compostos presentes em altas concentrações pode-se utilizar técnicas convencionais ou por via úmida, que são mais baratas, já compostos presentes em pequenas quantidades há necessidade de se utilizar técnicas mais avançadas como a de absorção atômica e cromatográficas.
Outra observação interessante é que a maioria dos compostos pode ser analisada utilizando-se técnicas colorimétricas ou espectrofotométricas. No entanto, estas técnicas se aplicam muito bem para análises de águas puras,mas para águas residuárias há muitos problemas de interferentes nas determinações analíticas. Adaptações aos métodos e preparos de amostras devem ser verificados para aumentar a precisão dos mesmos.
Além das análises realizadas constantes da Tabela 3.1, são ainda realizadas as seguintes análises para verificação da qualidade das águas e efluentes.
Características Físico-Químicas
• Temperatura: que utiliza sensor de temperatura • Turbidez: determinada pela refração da luz • Cor: determinada por colorimetria ou visual • Odor: determinada por sensibilidade ao olfato • Sabor: determinada por sensibilidade degustativa • Sólidos totais: determinada por gravimetria Constituintes Orgânicos (complementação da tabela) • Sólidos voláteis: determinada por gravimetria • Demanda química de oxigênio(DQO)
• Demanda bioquímica de oxigênio(DBO) Organismos patogênicos
• Tubos múltiplos: método estatístico, baseado na indicação da presença/ausência do microrganismo em um meio de cultura específico, utilizando a técnica de diluições em série e expressando os resultados como número mais provável (NMP)
• Ovos de helmintos
Os métodos microbiológicos serão vistos com maiores detalhes no Capítulo XI.2 e, devido à sua importância na caracterização das águas e efluentes, alguns métodos estão descritos e discutidos sucintamente a seguir.
Os métodos indicados neste item estão de acordo com o Standard Methods (APHA, AWWA, WQF, 1998). Recomenda-se a consulta da obra original para a obtenção de maiores detalhes.
3.2.1. Sólidos
A análise de sólidos é uma das mais utilizadas na caracterização de águas de abastecimento e residuárias. Diferentes determinações podem dar indicações quantitativas absolutas e relativas dos materiais componentes da água, podendo dividi-los em orgânicos e inorgânicos, solúveis e insolúveis e sedimentáveis e não sedimentáveis. A seguir são apresentadas as bases das metodologias utilizadas nestas determinações e o seu significado nas ciências do meio ambiente.
SÓLIDOS TOTAIS
Os sólidos totais (ST) expressam a quantidade total de compostos orgânicos e inorgânicos, solúveis e em suspensão contidos na amostra.
A análise de sólidos totais é realizada através da pesagem da amostra em cadinho de porcelana previamente tarado e evaporação da água contida em uma estufa a 105 oC durante 2 horas. Dependendo da amostra o tempo de secagem pode ser superior,sendo recomendado se possível que a amostra fique durante a noite na estufa a esta temperatura para depois seguir com o procedimento analítico. Após a retirada da amostra da estufa,esta deve ser esfriada a temperatura ambiente antes da pesagem devendo-se promover o resfriamento em um dessecador para evitar a rehidratação da amostra. O peso do cadinho depois da secagem menos o peso inicial representa a umidade da mesma e o restante da massa os sólidos totais (ST). Os sólidos toais são expressos em [gST/L].
Nesta determinação compostos orgânicos voláteis podem ser eliminados e considerados como sendo parte da umidade.
Determinação de sólidos totais pelo uso de microondas
SÓLIDOS VOLÁTEIS
Dando prosseguimento à determinação de sólidos totais, procede-se a análise de sólidos voláteis (SV). A amostra depois de seca na estufa é calcinada a 550 oC durante 2 horas. Novamente, resfria-se o cadinho com a amostra calcinada em dessecador para que a mesma não se rehidrate. O peso do cadinho depois da calcinação menos o peso depois da secagem representa os sólidos voláteis (SV), ou seja a massa de matéria orgânica que foi transformada em CO2 e H2O.
Outros compostos inorgânicos podem ser oxidados a compostos gasosos interferindo no resultado final da análise.
Os sólidos voláteis são utilizados para medir a concentração de matéria orgânica e a relação SV/ST indica a fração de matéria orgânica contida na amostra. Normalmente estes sólidos são expressos em [%ST].
SÓLIDOS FIXOS
A diferença entre os sólidos totais e os sólidos voláteis são os chamados sólidos fixos (SF) ou cinzas. Corresponde aos compostos inorgânicos contidos nas amostra.
SÓLIDOS DISSOLVIDOS E SÓLIDOS EM SUSPENSÃO
Este mesmo procedimento pode ser realizado no sobrenadante ou nos sólidos retidos de uma amostra filtrada. Quando utilizamos o sobrenadante, os sólidos são ditos dissolvidos (SDT e SDV) e quando realizado nos sólidos retidos são ditos em suspensão (SST e SSV).
A relação SST/ST indica qual é a fração dos sólidos que se encontra em suspensão. SÓLIDOS SEDIMENTÁVEIS
Uma outra informação importante relativa aos sólidos em suspensão é com relação à sua facilidade com que estes sedimentam.
O teste para realizar a sedimentabilidade dos sólidos é feita em um frasco de 1 litro, que tem um formato cônico e graduado, denominado de cone de imhoff, conforme apresentado no Figura 3.1. O frasco é preenchido até a marca de 1 L e espera-se 30 minutos para sua sedimentação. Após o tempo decorrido faz-se a leitura do volume de sólidos sedimentados neste período. A unidade de medida dos sólidos sedimentáveis é expressa em [mL/L].
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Figura 3.1: Cone de imhoff utilizado na determinação dos sólidos em suspensão
3.2.2. Demanda Química de oxigênio(DQO)
DQO é a quantidade de oxigênio necessária para oxidar quimicamente toda a matéria orgânica, lavando-a a CO2 e H2O. Através da determinação da quantidade de reagentes
químicos necessários para promover esta reação de oxidação podemos indiretamente determinar a quantidade de matéria orgânica em uma amostra.
O método baseia-se na oxidação da matéria orgânica por dicromato de potássio em meio ácido sulfúrico, contendo sulfato de prata como catalisador, e ebulição por 2 horas. A equação 3.1 apresenta a reação química que ocorre na determinação da DQO. A amostra deve ser diluída adequadamente para que haja excesso de dicromato. A quantificação do dicromato que reagiu, que é equivalente à matéria orgânica presente no meio, pode ser feita de duas formas:
a) Titulação do dicromato excedente com uma solução de sulfato ferroso amoniacal, usando ferroína como indicador do ponto final. A solução de FeII é padronizada na hora do uso. b) Determinação espectrofotométrica do Cr3+ gerado na redução do dicromato. Para isso,
faz-se leitura da intensidade da cor a 600 nm e calcula-se a concentração de Cr3+ através de uma curva de calibração obtida aplicando-se esse procedimento a soluções padrão de biftalato de potássio.
∆
(CaHbOc) + Cr2O72- + H+ Cr3+ + CO2 + H2O (equação 3.1)
amarelo verde
Em ambos os casos, o resultado é expresso em termos de massa de oxigênio consumido por volume de amostra [mg O2/L].
O método espectrofotométrico tem a vantagem de ser mais econômico, tanto em reagentes como em tempo de analista, porém tem variabilidade maior que o de titulação.
Os métodos de determinação da DQO são métodos fáceis de serem realizados e rápidos, quando comparado com a demanda bioquímica de oxigênio, que será vista a seguir. Uma das limitações do método é a oxidação de compostos inorgânicos que podem interferir no resultado final.
Pode-se calcular facilmente a DQO teórica de um composto orgânico fazendo-se a reação de oxidação, como no exemplo na oxidação do ácido acético apresentada na equação 3.2 abaixo:
