Controle e tecnologia ambiental. Tecnologia de Tratamento de Água e Efluente. Parte 2
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robertoemery@gmail.com
Tema: Tecnologia de Tratamento
de Efluentes (Parte II)
Prof. Roberto Emeryrobertoemery@gmail.com
Controle e Tecnologia Ambiental
robertoemery@gmail.com
SUMÁRIO
Processos físicos, químicos, biológicos
Tratamento preliminar, primário
Tratamento secundário biológico – tópicos específicos
Tratamento terciário
Resumo
Circuitos típicos:
Tratamento de água
Tratamento de efluentes
II Parte – TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Tratar é preciso!
Poluição: degradação da qualidade ambiental resultante de atividades que direta ou indireta:
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.
Artigo 3˚ - III - Lei 6938/81
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Tratamento de efluentes - realizado com diferentes objetivos:
Remover
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
• carga orgânica
• sólidos em suspensão
• metais
• nutrientes,
• organismos patogênicos, etc.
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• Princípio: remover essas impurezas antes de lançá-las nos corpos receptores.
• Gestão moderna: modificação dos processos industriais para redução de efluentes e resíduos (Produção mais Limpa: P+L)
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Produção mais Limpa: “Aplicação contínua de uma estratégia preventiva integrada em processos, produtos e serviços, incorporando o uso mais eficiente dos recursos naturais e, deste modo, minimizando resíduos e poluição.” www.mct.gov.br
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
“End of Pipe” – preocupa-se com o efluente apenas ao
final da linha de produção e buscam-se técnicas de
tratamento que permitam enquadrá-lo, ou seja, fazer com
que atenda os padrões de descarte em vigor.
Metodologia de Tratamento
Enfoques para o tratamento
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“in-plan design” – considera-se que o efluente é resultado de
uma série de procedimentos industriais.
Antes de definir as técnicas de tratamento, estuda-se o
processo industrial: fontes de poluentes, o consumo de
água, a composição das correntes, etc.
Isso resulta em:
Metodologia de Tratamento
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Economia de energia
Redução de consumo de água
Melhor aproveitamento das matérias-primas
Metodologia de Tratamento
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Metodologia de Tratamento
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Estudo em laboratório
Investigação dos contaminantes e determinação da meta
para seleção do processo
Viabilidade do processo
Qualidade!do efluente após tratamento
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Metodologia de Tratamento
Estudos em Escala Piloto
Determinação de parâmetros principais de processo
Avaliação de tecnologias disponíveis
Levantamento de custos de investimento e operacional
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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O que é uma Estação de Tratamento de Efluentes (ETE) ?
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Conjunto de unidades, responsáveis por uma etapa do
tratamento do efluente. Inclui:
✓ processos físicos,
✓ químicos,
✓ térmicos,
✓ biológicos
✓ ou uma combinação destes.
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Tipicas tarefas da ETE:
Pré-tratamento (ou tratamento preliminar) Físico e/ou químico
Tratamento Primário Físico - Químico
Tratamento Secundário Biológico - Químico
Tratamento Avançado Físico e/ou químico e/ou biológico
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Típicos tratamentos em uma ETE
Pré-tratamento (ou preliminar): -sólidos em suspensão grosseiros e areia
Tratamento Primário: - sólidos em suspensão sedimetnáveis
- m.o.em suspensão (DBO em suspensão)
- sólidos dissolvidos
Tratamento Secundário: - DBO em suspensão não removida
- DBO solúvel
Tratamento Avançado (terciário):nutrientes,
patogênicos,
não biodegradáveis,
inorgânicos dissolvidos,
metais pesados,
SS remanescentes
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Tratamento de Efluentes Fluxograma completo típico
TRATAMENTO PRELIMINAR TRATAMENTO PRIMÁRIO TRATAMENTO SECUNDÁRIO TRATAMENTO TERCIÁRIO
QUÍMICO FÍSICOORGÂNICOS DISSOLVIDOS SÓLIDOS
SUSPENSOS
Peneiramento
Equalização
SAO
Desarenador
Neutralização
Coagulação
Flotação
Sedimentação
Filtração
Lodo Ativado
Lagoa Aeróbia
Biodisco
Lagoa Anaeróbia
Biofiltro
Microfiltração/ultrafiltração
Sedimentação
Coagulação/sedimentação
Osmose reversa
Adsorção
Troca iônica
Eletrodiálise
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PROCESSOS QUÍMICOS
• Métodos de tratamento nos quais a remoção ou conversão dos
contaminantes ocorre pela adição de reagentes químicos e/ou
por reações químicas.
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PROCESSOS QUÍMICOS incluem:
• Precipitação química
• Oxidação e redução química
• Formação de gás insolúvel seguido de extração (stripping)
• Desinfecção.
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PROCESSOS FÍSICOS
• Aplicação de forças físicas predominam.
• Muitos desses métodos evoluíram diretamente da observação
da natureza - portanto os primeiros a serem usados para
tratamento de água.
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PROCESSOS FÍSICOS incluem:
• Sedimentação
• Filtração
• Floculação
• Flotação
• Outros processos que removem substâncias dissolvidas ou
não sem alterar a estrutura química delas
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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PROCESSOS BIOLÓGICOS
★ Remoção de contaminantes ocorre pela atividade biológica.
★ Utilizado principalmente para remover substâncias orgânicas biodegradáveis.
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PROCESSOS BIOLÓGICOS
• Envolvem organismos vivos e substâncias orgânicas ou inorgânicas como alimento.
• Características físicas e químicas da substância orgânica e/ou inorgânica são alteradas
• Em princípio o tratamento biológico é mais econômico do que qualquer outro tipo de tratamento.
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PROCESSOS BIOLÓGICOS
Basicamente essas substâncias são convertidas em:
ü Gases - escapam para a atmosfera
ü Tecidos celulares - removidos por sedimentação
Também utilizado para remoção de nutrientes!
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Aspectos a serem caracterizados e verificados pelo Perito Ambiental…:
• Objetivo do tratamento (ex.: o que diz a legislação?)
• Nível do tratamento (ex.: até onde precisa-se chegar?)
• Estudos de impacto ambiental no corpo receptor foram considerados?
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SELEÇÃO DO PROCESSO DE TRATAMENTO DO EFLUENTE
• Característica do efluente: tipo de poluente (suspensão, coloidal, toxicidade, dissolvido, metais pesados, etc…)
• Qualidade desejada: contexto legal; reúso
• Custo e disponibilidade de espaço
OBS: Metais pesados geralmente devem ser removidos em pré-tratamento ANTES de qualquer processo biológico (embora trat. biológico possa remover algum metal)
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Aspectos relevantes para o Perito Ambiental!
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TRATAMENTO PRELIMINAR(Físico e/ou químico)
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Tratamento Preliminar - Processos FísicosRemoção de materiais ou substâncias que prejudicariam o tratamento ou os equipamentos nas unidades a seguir.
Basicamente: areia, sólidos grosseiros, remoção de óleo, remoção de odor.
Técnicas são basicamente de ordem física:
• Peneiramento
• Sedimentação
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cominuidor grade de barras
Remoção de sólidos grosseiros: cominuidor e grade de barras
TRATAMENTO PRELIMINAR
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GRADEAMENTO
• Barreiras para retenção de sólidos grosseiros ou corpos
flutuantes contidos nos efluentes.
• Evitam que passem para as unidades de tratamento
seguintes causando danos mecânicos aos equipamentos.
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Remoção de sólidos grosseiros: tela vibratória
Tela vibratória Filtro rotativo
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Remoção de sólidos grosseiros: filtro rotativo
Filtro rotativo
TRATAMENTO PRELIMINAR
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CAIXAS DE AREIA (Desarenador)
Areia: partículas como pedriscos, silte, areia… e outros materiais
cuja velocidade de sedimentação e peso específico são maiores do
que os sólidos orgânicos em suspensão, presentes no efluente
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Fonte: Petrobras
CAIXAS DE AREIA (Desarenador)
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Caixa de areia de fluxo horizontal
Fonte: Ricardo Motta - U.Petrobras
CAIXAS DE AREIA (Desarenador)
TRATAMENTO PRELIMINAR
Depósito de areia
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CAIXAS DE AREIA (Desarenador)
Objetivos da remoção de areia dos efluentes:
• evitar abrasão nos equipamentos e tubulações,
• obstruções em tubulações e em unidades do sistema
• impedir a sedimentação de areia nas unidades.
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Geralmente a velocidade fica em torno de 0,3 m/s.
Principio: aproveitar velocidade de sedimentação da areia, em
função do seu peso. Efluente deve ser mantido em condições
hidráulicas tais que possibilitem a separação da areia do efluente
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Fluxograma típico de TRATAMENTO PRELIMINAR
Adaptado de M.von Sperling, 1998
TRATAMENTO PRELIMINAR
afluentegrade filtro de areia
(desarenador)
medidor de vazão
fase sólidafase sólida grosseira
para TRATAMENTO PRIMÁRIO
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REMOÇÃO DE ÓLEO
Separado nas ETEs por gravidade ou centrifugação.
Por gravidade: Separadores de Água e Óleo (SAOs).
SAOs: criam condições propícias para que a separação seja realizada por GRAVIDADE, em função das diferenças de densidades entre o óleo e o efluente.
TRATAMENTO PRELIMINAR
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REMOÇÃO DE ÓLEO - Sistema API
http://www.hmttank.com
Petrobras
TRATAMENTO PRELIMINAR
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Vários equipamentos e processos para remoção de óleo
Verificar sempre:
Ø objetivo do tratamento
Ø volume a ser tratado
Ø custo de instalação
Ø custo operacional
Ø custo de manutenção
Ø facilidade de operação
TRATAMENTO PRELIMINAR
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TRATAMENTO QUÍMICO
(visto adiante…)
Também pode ser utilizado em etapa preliminar…
TRATAMENTO PRELIMINAR
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T r a t a m e n t o
preliminar químico
típico de efluente
industrial (adaptado de
Kiely, 1997)
TRATAMENTO PRELIMINAR
Efluente de processo industrial
Material orgâncio AmôniaMetais pesados
Oxidação-redução Oxidação Air stripping
Precipitação Adsorção
Filtragem
Tratamento Primário
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• Sólidos são removidos com GRADES e PENEIRAS MÓVEIS
• Areia é decantada
• Algum tratamento químico também pode existir (pH; Eh)
• Óleos, graxas e sólidos em suspensão: removidos por flotação, sedimentação ou filtração (ex.: separador API)
TRATAMENTO PRELIMINAR: RESUMO
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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TRATAMENTO PRIMÁRIO
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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• Frequentemente chamado de clarificação, sedimentação ou
decantação primária.
• Destina-se principalmente a:
• Redução de sólidos em suspensão (pode incluir óleo)
• Redução da DBO
• Remoção de material flutuante
• Equalização parcial da vazão e da carga orgânica
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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DECANTAÇÃO PRIMÁRIA(Sedimentação Primária)
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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DECANTAÇÃO PRIMÁRIA
• Remoção de sólidos sedimentáveis
• Com coagulante ou sem (neste caso: decantação simples
ou primária).
• Função - aliviar unidades seguintes, sobretudo em
termos de carga orgânica
• Tempo de residência típico ~2 horas.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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DECANTAÇÃO PRIMÁRIA
Tratamento primário (decantação) remove, portanto, apenas os sólidos sedimentáveis (e outros já mencionados - “areias).
Para a remoção dos outros sólidos: tratamento secundário que, normalmente, é feito biologicamente.
R. Motta - Petrobras
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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DECANTAÇÃO PRIMÁRIA
• FOSSAS SÉPTICAS: também uma forma de tratamento primário
• Basicamente decantadores nos quais os sólidos sedimentáveis são removidos para o fundo
• Podem permanecer longo tempo (meses/anos) para estabilização
• Processo anaeróbio
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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DECANTAÇÃO PRIMÁRIA
Esquema típico de fosse séptica de câmara únicaAdaptado de M.von Sperling, 1998
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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EQUALIZAÇÃO (Lagoa de Equalização)
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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EQUALIZAÇÃO
Objetivo: minimizar e/ou controlar flutuações nas
características do efluente a fim de
• evitar problemas operacionais e
• maximizar a capacidade de tratamento da etapa
seguinte
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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EQUALIZAÇÃO
Nível máximo
Nível mínimoVazão variável
Vazão constante
Equalização: homogeneizar o fluxo e a concentração do lodo da ETE; descargas uniformes na etapa seguinte.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO PRIMÁRIO
Fatores que afetam a quantidade e a carga orgânica dos efluentes de uma indústria:
ü Tipo de indústria e os produtos fabricados;ü Volume produzido;
ü Tipo do processo produtivo utilizado;
ü Horas de funcionamento da produção;
ü Período de produção: contínua ou em batelada;
ü Período e tipo de parada de manutenção utilizada;
ü Tipo de sistema de pré-tratamento utilizado pela indústria, etc
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• Normalmente há agitação: garante a equalização e evita sedimentação de sólidos
• Oxida compostos reduzidos
• Reduz BOD por carreamento pelo ar
• Método mais comum: misturadores submersos
Equalização
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Equalização
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Bacia de aeração /equalização típica
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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EQUALIZAÇÃO
Dois tipos:
• EQUALIZAÇÃO DE FLUXO: manter o fluxo contínuo por um determinado período de tempo
• EQUALIZAÇÃO DE CONTEÚDO: refere-se a um (ou mais) determinado poluente cuja concentração deve atingir um valor (alvo) pré-estabelecido (pode ser valor de pH; conc. de nutriente, etc…)
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Equalização: em linha (on line) ou fora de linha (off line)
b)Esquema de equalização fora de linha
a)Esquema de equalização em linha
TRATAMENTO PRIMÁRIO
Vazão
Tempo
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COAGULAÇÃO / FLOTAÇÃO /
PRECIPITAÇÃO QUÍMICA
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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COAGULAÇÃO
• Remove partículas coloidais que provocam turbidez na
água e que podem ter íons metálicos adsorvidos.
• Remoção pode ser obtida por sais de Fe ou de Al,
com o objetivo de provocar aglomeração dessas
partículas antes de serem filtradas.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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COAGULAÇÃO
• Aglomeração - ação físico-química de materiais que
promovem a aglomeração das partículas, agindo como
coagulantes.
• Essa ação se dá pela neutralização da carga das partículas.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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COAGULAÇÃO
Coagulante mais popular:
Al2(SO4)3.18H2O Obtido sólido ou líquido
Fe2(SO4)3.18H2O também pode ser usado
Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(OH)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 18 H2O
O mecanismo físico-químico envolve neutralização de cargas na superfície do colóide
TRATAMENTO PRIMÁRIO
Adição de coagulante
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COAGULAÇÃO
MisturaRápida(turbina)Formação
FloculaçãoCrescimento
Flotação
Sulfato de alumínio
Ácido Sulfúrico
Polieletrólito
Neutralização Floculação
TRATAMENTO PRIMÁRIO
Efluente a ser tratado
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FLOCULAÇÃO
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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FLOCULAÇÃO
Floculação:
• agitação lenta
• partículas coaguladas se unem formando flocos
grandes o suficiente para sedimentar rapidamente.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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COAGULAÇÃO / FLOCULAÇÃO
Aspectos de floculador para tratamento de efluente
Fontes: www.hidrosul.com.br
TRATAMENTO PRIMÁRIO
Formação de flocos
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FLOTAÇÃO
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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FLOTAÇÃO
• Remover sólidos em suspensão, graxa e óleo (gota < 150 µm)
• Separação e concentração de resíduos
• Adição de reagentes que provocam hidrofobicidade
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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FLOTAÇÃO
Esquema de células de flotação
http://www.cjtsurplus.com
TRATAMENTO PRIMÁRIO
infomet.com.br
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FLOTAÇÃO
Tipos de flotador:
• AR INDUZIDO: ar introduzido produz bolhas pequenas de cerca de 1 mm. Ex.: placas porosas ou bicos especiais.
• AR DISSOLVIDO: ar dissolvido no líquido em compartimento maior que na câmara de flotação
• AR VÁCUO: câmara de flotação a vácuo
• SOB PRESSÃO: câmara de flotação a patm; vaso de saturação pressurizado.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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FLOTAÇÃO AR INDUZIDO
• Indução de ar na massa líquida com indutores • Pressão: atmosférica.• Sem reciclo• Taxa de aplicação hidráulica: 8-10 m3/m2/h• Tempo de retenção hidráulica: 3-5 min.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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FLOTAÇÃO AR DISSOLVIDO
Pressão: 3,5 kgf/cm2
Reciclo: 50%Taxa de aplicação hidráulica: 6 m3/m2/hTempo de retenção hidráulica típico: 25 min.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO PRIMÁRIO
Flotador industrial - refinariaFonte: Petrobras
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TRATAMENTO PRIMÁRIO
OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICAque leva à precipitação…
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OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
• Reações de oxi-redução - transferência de elétrons entre
espécies químicas.
• Reações de oxi-redução: tratamento e remoção de resíduos
orgânicos e inorgânicos, transformando-os em compostos
menos agressivos ou em compostos que precipitam do meio
aquoso (insolúveis).
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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• Remover metais pesados de águas contaminadas - íons metálicos são precipitados no seu estado metálico ou em algum estado intermediário.
• Recuperação dos metais precipitados de interesse econômico, como metais preciosos, Pb, Hg, Ni, Cd, Cr é possível.
OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO QUÍMICO
• Equilíbrio químico pode ser expresso como:
Deve obedecer à seguinte equação de equilíbrio:
Onde K é constante!
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO QUÍMICO
• Objetivo - deslocar o equilíbrio
• Se A é poluente e B reage com A para produzir um
precipitado insolúvel (C ou D), B deve ser adicionado até A
desaparecer totalmente (ou quase...)
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO QUÍMICO
• Passo a passo:
TRATAMENTO PRIMÁRIO
1. Identificar um ou mais compostos insolúveis que contém o
poluente em questão
2. Identificar um ou mais compostos solúveis, economicamente
viáveis, capazes de formar o composto insolúvel desejado.
3. Desenvolver testes de laboratório para confirmar a viabilidade
técnica e econômica do tratamento proposto.
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TRATAMENTO QUÍMICO
• Ex.: Pb é o poluente a ser removido
1. Consulta a livros de química revela a tabela abaixo:
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO QUÍMICO
1. Uma fonte de íons carbonato é o Na2CO3;
2. Na2S é fonte de íons sulfeto – Na2CO3 é mais barato
Portanto, uma possível forma de remover Pb de um efluente industrial
seria adicionar carbonato de sódio para precipitar o Pb como um
carbonato insolúvel!
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• Outra possibilidade - remover na forma de sais como
carbonato, hidróxidos e sulfatos, variando o pH e/ou Eh.
• Estes sais são geralmente insolúveis e precipitam sendo
removidos por filtração.
• Geralmente adiciona-se H2SO4 ou CaCO3
TRATAMENTO PRIMÁRIO
TRATAMENTO QUÍMICO
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Controle do valor de pH - pode ser efetivo na remoção de metais
Precipitação de alguns metais como hidróxidos
Fonte: Methods for Treating Wastewater from Industry - Woodard and Curren Inc, 2004
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Fonte: Methods for Treating Wastewater from Industry - Woodard and Curren Inc, 2004
Solubilidade teórica de hidróxidos, sulfetos e
carbonatos para alguns metais
pesados
TRATAMENTO PRIMÁRIO
OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
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OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
Em soluções aquosas, toda reação pode ser escrita como uma
• Adição ou remoção de elétrons (mV)
• Adição ou remoção de prótons (H+) (pH)
• Combinação dessas duas
Essas condições podem ser visualizadas em um diagrama
Eh (mV) x pH
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
Alguns oxidantes comuns:
• Peróxido de hidrogênio - (água oxigenada - H2O2)
• Cloreto férrico (ou sulfato) - FeCl3 ou Fe2(SO4)3
• Ozônio - O3
• Oxigênio - O2
• Hipoclorito de sódio - NaClO
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
Redutores
Sulfato ferroso - FeSO4
Dióxido de enxofre - SO2
Meta bissulfito de sódio - Na2S2O5
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Podem ser úteis: diagramas Eh x pH para visualização das áreas de predominância das várias possíveis espécies presentes em solução aquosa
Diagramas de predominância: “mapas” de estabilidade termodinâmica de espécies - Iônicas e sólidas - que existem em sistemas aquosos.
OXIDAÇÃO/REDUÇÃO QUÍMICA
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Duas principais variáveis:
• Atividade do íon H+ - medida pelo pH ( = -log [H+])
• Potencial de oxidação - medido pelo Eh (V ou mV) na escala padrão de hidrogênio
Eh indica o estado redutor ou oxidante da solução
Redução - indica adição de elétrons
Oxidação - indica remoção de elétrons
pH indica o caráter ácido, neutro ou básico da solução
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Eh (v)
pH
0
-1,0
+1,0
0 7 14
Região ácida
oxidante
Região ácida
redutora
Região básica
oxidante
Região básica
redutora
DIAGRAMA Eh X pH ESQUEMÁTICO
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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TRATAMENTO PRIMÁRIO
Equações básicas:
As únicas necessárias para construção do diagrama são
ΔG0 = - RTlnK = nFE0 (1)
E a equação de Nernst
(2)
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TRATAMENTO PRIMÁRIO
Transformando ln em log tem-se que
(3)
(4)
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Tipos de reação
1 - Envolvendo apenas elétrons (oxi-redução)
A + ne- = B! ! ΔG0 = nFE0
que é uma linha horizontal no diagrama
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2 - Envolvendo apenas H+ (variação de valor de pH)
A + hH+ = B! (+ H2O)! ΔG0 = - RTlnK
ΔG0 = - (0,0082 x 298 x 2,303)log K
ΔG0 = - 5,706 log K
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Que é uma linha vertical no diagrama
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3 - Envolvendo eletrons e H+
A + hH+ + ne- = B!(+ H2O)! ΔG0 = - nFE0
Que é uma linha inclinada no diagrama
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Diagrama Eh x pH do Fe - H2O a 25˚C
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Diagrama Eh (V) - pH do sistema CN-H2O a 25oC.
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
robertoemery@gmail.comDiagrama Eh (V) - pH do sistema Cd-H2O a 25oC. M.Pourbaix)
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Diagrama Eh (V) - pH para o sistema Au-CN-
H2O a 25oC
A introdução de outras espécies, como agentes
complexantes, pode modificar as áreas de
equilíbrio termodinâmico
Ex.:
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RECAPITULANDO…• Clarificação, sedimentação ou decantação primária,
coagulação, floculação, flotação, tratamento químico, oxidação/redução química, precipitação
• Destina-se principalmente a:
• Redução de sólidos em suspensão (pode incluir óleo)
• Redução da DBO
• Remoção de material flutuante
• Equalização parcial da vazão e da carga orgânica
• Redução / remoção de sólido dissolvido
TRATAMENTO PRIMÁRIO
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Tratamento Secundário - Biológico
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Tratamento Secundário: remoção dos Sólidos não removidos no Tratamento Primário + carga orgânica presente nos efluentes.
Carga orgânica: parte orgânica (pesticidas, detergentes, etc.) + fração biodegradável presente sob a forma dos próprios Sólidos presentes nos efluentes.
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Tratamento secundário
Concebidos de forma a acelerar os mecanismos de
degradação que ocorrem naturalmente nos corpos
receptores.
Grande variedade de microorganismos toma parte no
processo: bactérias, fungos, protozoários, etc.
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Tratamento Secundário
Para todos os poluentes que passam pelo Tratamento Primário:
• Sólidos Coloidais• Sólidos Dissolvidos
• Sólidos em Suspensão não Sedimentáveis• Sólidos em Suspensão Sedimentáveis ainda
remanescentes.
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CONCEITUAÇÃO DO TRATAMENTO SECUNDÁRIO
• MATÉRIA ORGÂNICA - é poluição - antes do tratamento
• Usada como alimento pelos microorganismos
• Compõe-se de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio,
fósforo e vários outros elementos em menores
quantidades.
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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CONCEITUAÇÃO DO TRATAMENTO SECUNDÁRIO
• Microorganismos (principais: bactérias e fungos) - capazes de
desagregar a matéria orgânica e sintetizar novo protoplasma
(tecido celular) (ou seja, há transformação de uma forma de
energia - matéria - em outra.... 1a. lei da termodinâmica...)
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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CONCEITUAÇÃO DO TRATAMENTO SECUNDÁRIO
• Processo não é 100% eficiente (2a. lei da termodinâmica...).
• Carbono e hidrogênio são liberados como CO2 e H2O
• Outros elementos, caso em excesso, combinam com O2 e passam
para solução como óxidos (Ex.: nitratos e sulfatos)
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CONCEITUAÇÃO DO TRATAMENTO SECUNDÁRIO
• MICROORGANISMOS incluem bactérias, fungos, protozoários,
vermes, etc…
• Aumento da população - resultado da reação com o poluente
orgânico.
• ÁGUA: “sub produto” (efluente) do processo
• Água: gerada do mecanismo dos microorganismos liberarem o
excesso de átomos de hidrogênio durante o processo e
desagregação da matéria orgânica.
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TRATAMENTO SECUNDÁRIO
CONCEITUAÇÃO DO TRATAMENTO SECUNDÁRIO
• Microcosmo no qual diversas espécies nutrem-se, crescem,
reproduzem e entredevoram-se.
• O resultado é uma transformação progressiva da massa e a
troca com o meio exterior dos produtos dessa atividade
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Matéria Orgânica (efluente / esgoto) + microorganismos + O2 + nutrientes
Mais microorganismos +Gases (CO2) + Água
ESQUEMA SIMPLIFICADO DO METABOLISMO BACTERIANO
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Conversão da matéria orgânica resulta em um aumento da
produção de tecido celular, ou seja, da quantidade de
microorganismos e diminuição da quantidade de poluentes
orgânicos.
R E M O Ç Ã O D O S M I C R O R G A N I S M O S : f e i t a p o r
sedimentação simples, em decantadores - densidade do
tecido celular dos microorganismos é maior do que a da água.
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• Princípio do TRATAMENTO SECUNDÁRIO: TRANSFORMAR um
tipo de matéria orgânica, de difícil remoção por sedimentação, em
outro de mais fácil remoção por sedimentação.
• Isto é, matéria orgânica como sólidos orgânicos coloidais e
dissolvidos é transformada em matéria orgânica sob a forma de
tecido celular, e, sob esta forma, removida.
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Tratamento secundário pode ser classificado
De acordo com a forma de crescimento das bactérias:
1 - biomassa em suspensão
2 - biomassa fixa (ou aderida)
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Tratamento secundário pode ser classificado
1 - BIOMASSA EM SUSPENSÃO: lagoas aeradas, lodos
ativados, valos de oxidação, lagoas facultativas, lagoas
anaeróbicas
2 - BIOMASSA FIXA (ou aderida): disco biológico, filtro
biológico, reatores de leito fluidizado
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Biomassa em suspensão: bactérias responsáveis pela
decomposição da matéria orgânica contida nos efluentes,
encontram-se em suspensão na massa líquida. Ex.:
Lodos ativados e lagoas aeradas.
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Exemplo de lagoa aerada
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TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Biomassa fixa: bactérias responsáveis pela decomposição
da matéria orgânica contida nos efluentes, encontram-se
fixadas a um meio inerte qualquer, que pode ser pedra,
plástico, ou outros.
Ex.: Filtros biológicos e os Discos Rotativos
Biológicos.
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Outra forma de classificação do
tratamento secundário
• Conforme a utilização, por parte das bactérias, de oxigênio
ou não no processo.
• Neste caso o processo pode ser classificado em AERÓBIO
ou ANAERÓBIO.
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. Terceiro tipo de bactéria:• Pode viver em ambientes com oxigênio ou sem oxigênio.
Este tipo é chamado de bactérias FACULTATIVAS.
• Tratamento AERÓBIO: presença de oxigênio; realizado por
bactérias aeróbias ou facultativas.
• Tratamento ANAERÓBIO: ausência de oxigênio; realizado
por bactérias anaeróbias ou facultativas.
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Vale recordar que…Nutrientes inorgânicos - essenciais em um processo de tratamento secundário. Podem ser fator limitante a atividade das bactérias, impedindo seu desenvolvimento e remoção da DBO do efluente.
Principais nutrientes: N e P.
Outros também necessários: K, S, Mg, Ca, Fe, Cl, Zn, Mn, Cu, Ni.
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TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Arranjos tecnológicos para o Tratamento Biológico
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LAGOAS FACULTATIVAS
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LAGOAS FACULTATIVAS
•Dentre os sistemas de lagoas de estabilização é o mais simples
•Água a ser tratada entra em uma extremidade e sai por outra.
•DBO particulada (m.o. em suspensão) tende a sedimentar, formando lodo no fundo
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LAGOAS FACULTATIVAS
Fluxograma típico de sistema com lagoa facultativa para tratamento de efluentes (adaptado de M.von Sperling, 1998).
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Lagoas facultativas
• Energia fornecida: suficiente apenas para misturar a parte líquida introduzir na massa líquida o O2 necessário ao processo, porém NÃO O SUFICIENTE para impedir a sedimentação de parcela dos sólidos em suspensão.
• Bactérias - respiração: consumo de oxigênio e produção de gás carbônico
• Algas - fotossíntese: produção de oxigênio e consumo gás carbônico
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Lagoas facultativas
Corte transversal esquemático de uma lagoa facultativa (adaptado de M.von Sperling, 1998).
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Lagoas facultativas
• DBO solúvel (m.o. dissolvida) e DBO finamente particulada (m.o.de pequenas dimensões) não sedimenta.
• A decomposição se dá predominantemente por bactérias facultativas: utilizam m.o. como fonte de energia
• Processo é natural, não necessitando equipamento especial.
• Daí, tempo de residência elevado (7-15 dias)
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LAGOAS ANAERÓBIAS - LAGOAS FACULTATIVAS
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LAGOAS ANAERÓBIAS - LAGOAS FACULTATIVAS
• Área menor
• Efluente entra em uma lagoa de menor dimensão, porém mais profunda.
• Predominam, portanto, condições anaeróbias
• Bactérias anaeróbias tem taxa metabólica e de reprodução mais lenta
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LAGOAS ANAERÓBIAS - LAGOAS FACULTATIVAS
Fluxograma típico de sistema de lagoa anaeróbia - facultativa para tratamento de efluentes
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LAGOAS ANAERÓBIAS - LAGOAS FACULTATIVAS
• Lagoa facultativa recebe carga de 40-50 % poluição do efluente original
• Mais eficiente que a anterior; pode causar odores em razão da etapa anaeróbia
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LAGOA AERADA FACULTATIVA
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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LAGOA AERADA FACULTATIVA
Sistema aeróbio - dimensões ainda mais reduzidas
Principal diferença com relação à lagoa facultativa: suprimento de oxigênio
Lagoa facultativa: O2 vem da fotossíntese
Lagoa aerada facultativa: usam-se aeradores
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LAGOA AERADA FACULTATIVA
Fluxograma típico de sistema de lagoa aerada facultativa para tratamento de efluentes
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•Facultativa: oxigenação não mantém os SS na massa líquida - formam lodo no fundo, decompondo-se anaerobiamente
•Apenas DBO solúvel e finamente particulada permanece na massa líquida, vindo a sofrer decomposição aeróbia.
LAGOA AERADA FACULTATIVA
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Em razão da mecanização, lagoas aeradas são menos simples em temos de manutenção, comparada com lagoa facultativa convencional.
• Porém: área necessária é menor, MAS
• Há maior consumo de energia elétrica…
LAGOA AERADA FACULTATIVA
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Desenho esquemático de aerador mecânico
R. Motta - Petrobras
LAGOA AERADA FACULTATIVA
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Aeradores em lagoa aerada para tratamento de efluente
LAGOA AERADA FACULTATIVA
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Lagoas de decantação de biomassa:
• Lodo pode permanecer por 3 a 4 anos
• Após esse período pode ser enviado para coprocessamento em cimenteira
• Lodo pode conter metais úteis para cimenteira
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LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA - LAGOA DE DECANTAÇÃO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA - LAGOA DE DECANTAÇÃO
• Volume ainda menor.
• Maior turbulência para garantir: oxigenação e todos os sólidos em suspensão
• Mistura completa - alto grau de energia por unidade de volume, com conseqüente total mistura dos constituintes.
• Em suspensão: m.o e bactérias (biomassa)
• Tempo de residência típico: 2 a 4 dias
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LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA
Fluxograma típico de sistema de lagoa aerada de mistura completa - lagoa de decantação para tratamento de efluentes
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA - LAGOA DE DECANTAÇÃO
• Biomassa em suspensão - sai da lagoa junto com o efluente tratado!
• Necessário lagoa de decantação - finalidade é permitir sedimentação e acúmulo dos sólidos
• Sólidos permanecem por alguns anos no fundo da lagoa
• Removidos periodicamente (caro!)
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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SISTEMA COM LODO ATIVADO(Activated sludge)
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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SISTEMA COM LODO ATIVADO
(Activated sludge)
• Princípio: aumentar concentração da biomassa em suspensão no meio líquido
• No sistema anterior: há “reservatório”de bactérias ativas na unidade de decantação
• Retornando essas bactérias a concentração das mesmas será grandemente aumentada
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Desenho esquemático do processo de lodos ativados
Ricardo Motta - Universidade Petrobras
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Esquema genérico de tratamento de efluente com lodos ativados
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Sólidos: recirculados do fundo da unidade de decantação por meio de bombeamento, de volta à unidade de aeração.
• Concentração dos sólidos: + de 10 x superior à de uma lagoa aerada de mistura completa
• Para manter sistema em equilíbrio: necessário retirar aproximadamente a mesma quantidade de biomassa aumentada por reprodução - lodo biológico excedente
SISTEMA COM LODO ATIVADO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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FILTRO BIOLÓGICO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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FILTRO BIOLÓGICO
• Conceito diferente do anterior
• Biomassa não cresce em tanque ou lagoa, mas ADERIDA a um meio de transporte
• O filtro compreende: leito de material grosseiro (pedra, ripas, plástico) sobre o qual o efluente (esgoto) é aplicado sob a forma de gotas ou jatos.
• Percolação permite crescimento bacteriano na superfície do substrato.
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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FILTRO BIOLÓGICO
Seção transversal de filtro biológico
Ricardo Motta - Universidade Petrobras
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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FILTRO BIOLÓGICO
• Sistemas aeróbios - ar circula e fornece oxigênio para os
microorganismos.
• A despeito do nome, função primária do filtro não é filtrar,
mas fornecer suporte para formação da película
microbiana.
• Controle da população microbiana se dá naturalmente.
• Lodo desalojado é removido em decantadores!
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FILTRO BIOLÓGICO
Aspectos de um filtro biológico
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Methods for Treating Wastewaters from Industry, Woodard & Curran, Inc., 2006
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FILTRO BIOLÓGICO
Aspectos de um filtro biológico
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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FILTRO BIOLÓGICO
Circuito de filtro biológico com reciclagem. A reciclagem permite ao operador o controle da carga hidráulica e mantém constante o fluxo do afluente. Pode evitar odores.
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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FILTRO BIOLÓGICO• Ao longo do percurso: matéria orgânica nos efluentes,
entra em contato com as bactérias que se desenvolvem
aderidas às pedras, sendo, assim, decomposta.
• Efluente tratado biologicamente: coletado por sistema de
drenagem no fundo do tanque e conduzido para as
unidades de decantação em seguida.
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BIODISCOS
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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BIODISCOS• Conjunto de discos, geralmente de plástico de baixo peso,
gira em torno de um eixo horizontal.
• Metade do disco é imerso no efluente a ser tratado
enquanto a outra metade fica exposta ao ar.
• Bactérias formam película aderida ao disco; quando
exposta ao ar é oxigenada. Película, quando novamente
em contato com o efluente, contribui para a oxigenação
deste.
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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BIODISCOS
Para testes em laboratório
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Discos: geralmente menos de 3 metros de diâmetro
(plástico de baixo peso).
M ic roorgan ismos aderem às
superfícies rotativas, e ali crescem
até que toda a superfície do disco
esteja coberta por uma fina camada
biológica, com poucos milímetros de
espessura
BIODISCOS
http://www.naturlink.pt
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BIODISCOS
• Quando a película cresce demasiadamente, se destaca dos
discos e permanece em suspensão no meio fluido, o que
contribui para a eficiência do processo.
• Sistema limitado para o tratamento de pequenas vazões.
Diâmetro máximo dos discos é pequeno; necessário grande
número de discos para vazões maiores
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BIODISCOS
• Velocidade de rotação: 1-2 rpm; residência: 6 horas
• Mergulhados entre 40 e 60% no efluente a tratar.
• Começaram a ser utilizados na década de 70 para
emprego em estações de tratamento compactas.
• Têm menos problemas operatórios que os tanques
percoladores, porém são mais caros.
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BIODISCOS
www.biodiscos.net
Quando a camada biológica atinge uma espessura crítica,
ela se desgarra dos discos. Organismos desgarrados são
mantidos em suspensão no meio líquido em razão do
movimento dos discos, aumentando a eficiência do sistema.
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Finalidade do disco:
• Suporte para o crescimento da película microbiana
• Promove contato da película com o esgoto
• Mantém biomassa desgarrada dos discos em suspensão
• Promove aeração do esgoto que se juntou ao disco em cada rotação e do esgoto situado na parte inferior, responsável pela imersão do disco.
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Biodiscos com ambiente favorável a
bactérias nitirifcantes
Lagoa aerada
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BIODISCOS
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Esquema de tratamento de efluente com biodisco para eliminação de nitrgênio (por exemplo...)
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BIODISCOSCerca de 90% submerso
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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BIODISCOS
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Crescimento da película biológica: similar, em conceito,
ao filtro biológico.
• Diferença: microorganismos passam através do esgoto,
ao invés de o esgoto passar pelos microorganismos,
como nos filtros.
• Decantadores secundários - também necessários,
visando a remoção dos organismos em suspensão
BIODISCOS
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Microorganismo: fixam-se sobre o biodisco, formando o biofilme
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TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DE NUTRIENTESETAPA FINAL DE TRATAMENTO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DE NUTRIENTES
•Eliminação de compostos biodegradáveis (de carbono): fundamental no tratamento biológico de efluentes (como já visto…)
•Outra forma de poluição que deve ser eliminada: causada
por compostos contendo nitrogênio e fósforo!
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DE NUTRIENTES
Compostos nitrogenados e fosforados:
•Aumentam a demanda de oxigênio
•Provocam eutrofização nos corpos receptores
(crescimento intenso de algas e vegetação)
•Íon NH4+ é tóxico para vida aquática
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Formas de fosfatos na água:
PO43-, HPO4
2-, H2PO4-, H3PO4
• Depende do pH
• HPO42- mais comum
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DO FÓSFORO
• Precipitação química - mais utilizado
• Reagentes:
•Sulfato de alumínio - Al2(SO4)3,
•sulfato ou cloreto férrico - FeCl3
•Cal - CaO
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REMOÇÃO DO FÓSFORO
• Com cal o precipitado é a hidroxiapatita: Ca5OH(PO4)3
5Ca2+ + 4OH- + 3HPO42- = Ca5OH(PO4)3 + 3H2O
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
• Com Al e Fe formam-se respectivamente os sais insolúveis
AlPO4
FePO4
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REMOÇÃO DO FÓSFORO• Adição de sementes melhora a cinética da reação de
precipitação (vantagem de reciclar sólidos)
• Aplicação dos reagentes é feita no decantador primário ou no secundário, conforme o:
• Projeto
• Característica do efluente
• Resultado final desejado
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DO FÓSFORO
• Processo biológico de remoção de P: via bactéria Acinetobacter sp, em ambiente anaeróbico.
• Tratamento biológico converte a maior parte do P a ortho-fosfatos.
• Essas formas podem ser removidas por precipitação (como visto)
• Vários processos patenteados.
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Nitrogênio pode apresentar-se no efluente como:
• N orgânico
• Amônia (NH3) residual ou orgânicos não transformados
• Nitritos (NO2-) não completamente oxidados
• Nitratos (NO3-)
Concentração máxima típica aceitável em efluentes municipais: ~40 a ~10 mg/l
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Forma do Nitrogênio Abreviação Definição
Gás amônia NH3 NH3
Íon amônia NH4+ NH4
+
Nitrogênio amoniacal total NAT NH3 + NH4+
Nitrito NO2- NO2
-
Nitrato NO3- NO3
-
Nitrogênio inorgânico total NIT NH3 + NH4+ + NO2
- + NO3-
Nitrogênio orgânico N org NT - (NH3 + NH4+)
Nitrogênio total NTNorgânico + NH3 + NH4
+ + NO2- +
NO3-
Formas de Nitrogênio (recapitulando)
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NITROGÊNIO
• Origem natural: proteínas, clorofila, compostos
biológicos
• Origem antropogênica: despejos domésticos,
industriais, excrementos de animais, fertilizantes.
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Nitrogênio orgânico pode ser convertido biologicamente para
amônia (NH3) ou amônio (NH4+). Essas duas espécies são
conhecidas como nitrogênio amônia. O equilíbrio é:
NH4+ = NH3 + H+
E a oxidação
NH4+ + 3/2 O2 = NO2
- + 2H+ + H2O
NO2- + 1/2 O = NO3
-
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
★ Nitrogênio orgânico pode ser convertido biologicamente
em amônia livre (NH3) ou no íon amônio (NH4+)
★ Remoção biológica baseia-se em dois pontos principais:
1. Transformação (oxidação) da amônia em nitrito e
nitrato - bactérias Nitrosomonas e Nitrobacter, meio
aeróbio (NITRIFICAÇÃO).
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2. Transformação dos nitratos em nitrogênio molecular - bactérias Achromobacter, Aerobacter, Spirillium, entre outras.
✴ Reação denominada DESNITRIFICAÇÃO - na ausência de oxigênio, em condições anóxicas
✴ Anóxico - não é condição anaeróbia - ausência de oxigênio!
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Princípio da desnitrificação: bactérias desnitrificantes utilizam
oxigênio da conversão dos nitratos, para a sua respiração,
deixando o nitrogênio livre - que é liberado para a atmosfera
(gás) .
• Necessário que a zona de desnitrificação do reator não
contenha oxigênio dissolvido suficientemente disponível no
efluente - as chamadas de zonas ANÓXICAS.
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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✴ Zonas ANÓXICAS - o oxigênio necessário à reação vem
predominantemente do NO3-
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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1o passo: NITRIFICAÇÃO (ou oxidação da amônia): Amônia
(NH3) à Nitritos (NO2-) à Nitratos (NO3
-)
2o passo: DESNITRIFICAÇÃO: (2NO3-) à N2 + 3O2
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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Ou seja…
• Nitrificação: nitrogênio reduzido na forma de amônia ou
de íon amônio é oxidado quase completamente para
nitrito (NO2-) e nitrato (NO3
-)
• Desnitrificação: nitrogênio completamente oxidado, na
forma do íon nitrato, é reduzido principalmente para
nitrogênio molecular, N2
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Bactérias desnitrificantes: utilizam o oxigênio dos nitratos
para a respiração e matéria orgânica para formação do
tecido celular.
• Porém só tem início quando a DBO já é reduzida e portanto
a matéria orgânica está pouco disponível.
• O que fazer…?
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
• Para possibilitar a desnitrificação - adiciona-se novamente a
matéria orgânica no efluente.
• Lodo recirculado ou, em alguns casos, uma fonte de matéria
orgânica qualquer - frequentemente é o metanol - CH3OH
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Desnitrificação pode ocorrer com bactérias em suspensão
ou aderidas a um meio inerte, como uma pedra ou plástico.
• No primeiro caso, bactérias desnitrificantes em suspensão,
no efluente - lodos ativados.
• No segundo, aderidas - biodiscos.
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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• Há outros métodos para remoção de nitrogênio:
•desorção gasosa (air stripping),
•cloração
•troca iônica
• Desnitrificação biológica é um dos mais eficientes e mais
comumente utilizados.
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
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• Desorção gasosa (air stripping):
• Nitrito pode ser removido por cloração:
2NO2- + Cl2 + 8H+ N2 + 4H2O + Cl-
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
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✴À medida que cloro é adicionado (gás, hipoclorito ou outro
composto de cloro solúvel em água e que forneça Cl-), o íon
nitrito é oxidado a gás nitrogênio e água.
✴Gás nitrogênio: pouco solúvel em água, removido do sistema
deslocando o equilíbrio para a direita até que todo o nitrito
tenha sido removido
REMOÇÃO DO NITROGÊNIO
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TRATAMENTO TERCIÁRIO
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Tratamento Terciário última etapa do processo de
tratamento.
Remove compostos que não foram removidos nas etapas
anteriores ou para prover um tratamento adicional de
determinado composto.
continua…
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
TRATAMENTO TERCIÁRIO
• Processo destinado à remoção de poluentes específicos (micronutrientes e patogênicos), além de outros poluentes não retidos nos tratamentos primário e secundário.
• Geralmente utilizado quando se deseja obter efluente de qualidade superior
• Conhecido também como “polimento” final
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Ø Micro peneiramento
Ø Adsorção
Ø Oxidação química (POA)
Ø Troca Iônica
Ø Osmose reversa (ou inversa)
Ø Cloração
Ø Ultrafiltração
Ø Eletrodiálise
Tratamento terciário: algumas tecnologias
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• Processos de oxidação química, onde há formação de radical livre de hidroxila (OH.), como agente oxidante.
Processos Oxidativos Avançados (POA’s)
• Radical hidroxila possui elevado potencial de oxiredução, levando à formação d e c o m p o s t o s intermediários mais biodegradáveis.
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Processos Oxidativos Avançados (POA’s)
POTENCIAL DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO
Agente Oxidante Potencial Redox
F 3,10 eV
OH. 2,80 eV
O. 2,42 eV
O3 2,07 eV
H2O2 1,70 eV
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Processos Oxidativos Avançados (POA’s)
TIPOS DE POA’S
Fenton (Fe2+ + H2O2)
Ultravioleta (UV)
Ozonólise
H2O2/UV
O3/H2O2
O3/UV
Fenton / UV
Ozonólise
TiO2/UV
O3/UV/H2O2
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Processos Oxidativos Avançados (POA’s)
Reação Fenton:Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH• + OH-
Espectro ultra-violeta:
• UV-A: 315 – 400 nm Comprimento de onda longo
• UV-B: 280 – 315 nm
• UV-C: 100 – 280 nm (Aplicações ambientais)Comprimento de onda curto
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Processos Oxidativos Avançados (POA’s)
Ozonólise:
Reação Indireta → Formação de radicais hidroxila, pela decomposição do ozônio
O3 + OH- → O2 + HO2•
O3 + HO2• → 2O2 + HO•
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TRATAMENTO TERCIÁRIO
ADSORÇÃO
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ADSORÇÃO
• Transferência de uma substância de uma solução para uma fase sólida.
• Feita sem mudança química da substância (sem reação) -fisisorção.
• Também pode ser feita uma adsorção química onde o adsorbato reage com uma substância previamente impregnada no adsorvente, através do compartilhamento ou troca de elétrons (quimisorção)
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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ADSORÇÃO
• Carvão ativado: adsorvente mais utilizado.
• Tratamento completo de um efluente ou aplicado para
pré-tratamento de correntes a serem tratadas por
outros processos, como osmose reversa, para
melhorar tal tratamento e evitar incrustações nas
membranas.
• Também em pós-tratamentos como após algum
tratamento biológico ou de correção de pH.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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ADSORÇÃO
• Carvão ativado: preparado a partir de matérias primas
carbonáceas: ossos, madeira, carvão mineral, coco,
etc..
• Ativação térmica: desidratação, carbonização e
aplicação de vapor (900˚C)
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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Carvão ativado granulado
• Equação matemática que calcula a eficiência do processo denomina-se ISOTERMA
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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TRATAMENTO TERCIÁRIO
Troca Iônica
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Troca Iônica
• Processo físico no qual os íons dissolvidos em um líquido ou gás interagem com íons sobre um meio sólido.
• Íons do meio sólido estão associados a grupos funcionais
• Meio sólido está imerso no líquido ou gás que se quer tratar.
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Troca Iônica
• Resinas: obtidas pela polimerização de vários compostos orgânicos
• Resina catiônica - remove cátions: Zn2+, Ni2+, Mg2+, etc…
• Resina aniônica - remove ânions: SO42-, CrO4
2-, etc…
• Sentido das reações: depende da afinidade da resina pelos diversos ions em solução: seletividade da resina
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Seletividade depende:
• P e T
• Natureza e valência do íon
• Tipo de resina (gel ou macro)
• Grau de saturação
• Concentração Iônica da solução aquosa
• Força iônica
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Catiônicas:
• Mais afinidade por cátions de maior valência
• De mesma valência - cátions maiores
Ex: Seletividade decrescente
Ba2+ > Ca2+ > Zn2+ > K+ > Na+ > H+
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Aniônica:
• Mais afinidade por ânions fortes (sulfato, cloreto, nitratos) sobre os fracos (carbonatos, bicarbonatos, silicatos)
• Seletividade decrescente para ânions fortes sobre fracos
• H2SO4, HCl - regeneram catiônicas
• NaOH à quente - regeneram aniônicas
• São caras!
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www.stihl.com.br
Colunas de troca Iônica para tratamento de água
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Processos de separação com membranas: vem se tornando importantes como alternativas aos processos convencionais de separação nas indústrias químicas, farmacêuticas, biotecnologias, alimentos e de petróleo.
Diversos fatores contribuíram para o avanço científico e tecnológico dos PSM, ocorridos nos últimos 30 anos. Dentre eles: menor consumo energético em comparação aos processos de separação convencionais e a melhor qualidade das membranas
TRATAMENTO TERCIÁRIO
Processos de Separação com Membranas (PSM)
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TRATAMENTO TERCIÁRIO
Processos de Separação com Membranas (PSM)
✓ Uma fase é a alimentação enquanto outra é o permeado.
✓ A separação ocorre porque a membrana tem a capacidade de
transportar um componente, a partir da alimentação, mais
eficientemente que qualquer outro componente presente na
alimentação.
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TRATAMENTO TERCIÁRIO
Processos de Separação com Membranas (PSM)
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Representação esquemática de duas fases separadas por uma membrana
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Filtração com Membranas
Inclui
• Microfiltração
• Ultrafiltração
• Nanofiltração
• Osmose Reversa
• Eletrodiálise
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Filtração com Membranas
Equipamentos típicos de filtração com membranas
www.apv.com www.pall.com
www.alfalaval.com
TRATAMENTO TERCIÁRIO
robertoemery@gmail.comFiltração com Membranas Fonte: Petrobras
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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Filtração com Membranas – Unidades ModularesFonte: Petrobras
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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Caracterização da membrana
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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Bomba de Pressurização
TRATAMENTO TERCIÁRIOMembranas
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Filtração com Membranas Vantagens · Alta eficiência;· Poucas partes móveis;· Compactas e adequadas para uso em atividades com pouco
espaço disponível; Desvantagens · Baixo fluxo;· Manutenção;· Sensíveis a mudança na corrente de alimentação;· “Fouling”;· Necessitam de produtos químicos para limpeza que precisam !
ser descartados;· Alto investimento inicial (custo tem diminuído)
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Filtração com membranas
Glicose, minerais, surfactantes,pesticidas
Sais minerais, complexos metálicos
Microfiltração
Ultrafiltração
Nanofiltração
Osmose reversa
Sólidos suspensão
Bactérias, vírus, coloides, cor
Água
TRATAMENTO TERCIÁRIO
0,1 a 10 μm
0,005 a 0,05 μm
0,0005 a 0,005 μm
0,0001 a 0,001 μm
Observação: Gases dissolvidos (CO2, O2) não são removidos
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Filtração
Ultrafiltration CONVENTIONAL FILTRATION
Sands
Algae and protozoans
Bacteria
Colloids
Humic acids
Metal ions
Pesticides
Dissolved salts
Sugars
Molecularweight
Viruses
Angström
MICRON
IONS MOLECULES MACRO MOLECULES MICRO PARTICLES MACRO PARTICLES
VISIBLE TO NAKED EYEOPTICAL MICROSCOPESCANNING ELECTRON MICROSCOPE
Note : 1 Angström = 10-10 meter = 10-4 micron
Reverse Osmosis
Nanofiltration
Microfiltration
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OSMOSE REVERSA (ou Inversa)
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OSMOSE REVERSA (ou Inversa)
Osmose: fluxo natural de transporte de um solvente através de membrana semi-permeável de uma solução diluída para uma concentrada, em conseqüência da diferença dos potenciais químicos dos dois lados da membrana.
Fluxo osmótico: até atingir um novo equilíbrio, quando há igualdade dos potenciais químicos das soluções de ambos os lados da membrana - alcançada em razão de diferença de pressão existente entre os dois lados da membrana.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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OSMOSE REVERSA
Osmose Reversa obtida pela aplicação mecânica de uma pressão superior à Pressão Osmótica do lado da solução
mais concentrada.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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OSMOSE REVERSA
• Princípio: permite a passagem de moléculas de água através de uma membrana, a qual impede a passagem das moléculas ou dos íons considerados poluidores.
• Usada basicamente para reduzir salinidade.
• Reduz também sílica e material orgânico coloidal com alto peso molecular
• Não é normalmente aplicada sem pré-tratamento já que as membranas estão sujeitas à incrustação e entupimento.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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OSMOSE REVERSA
Com solvente puro em ambos os lados da membrana semi-permeável (T,P): fluxo zero.
Com pressão no lado da solução de sais, superior à pressão osmótica: inversão do fluxo no sentido da água pura.
Osmose Reversa: quando o solvente é transferido por pressão externa de uma solução com alta concentração de soluto para uma solução com concentração baixa de soluto.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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OSMOSE REVERSA
• Utilizada na indústria para produção de água ultra-pura desde 1976.
• Sistema modular pode atingir capacidade superior a 13 mil m3/ dia
• É o nível final de processos de filtração disponíveis.
• Barreira a todos os sais dissolvidos e moléculas inorgânicas bem como as orgânicas acima de PM 100.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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Osmose reversa
http://www.bigbrandwaterfilters.com
Membrana típica para tratamento de água por osmose reversa
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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Osmose reversa
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Bomba de Pressurização
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Osmose reversa
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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NanoFiltração
TRATAMENTO TERCIÁRIO
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NanoFiltração
Aplicações Principais
Abrandamento (remoção da dureza)Remoção de orgânicos
Aplicações Principais:
Abrandamento
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Remoção de orgânicos
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Equipamentos de UF e MF
Aplicações Principais
Pré-tratamentoRemoção de O&G Reúso de efluente
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Equipamentos de UF e MF
Ultrafiltração!"#$#%&'$()!&"*+,"+(
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Equipamentos de UF e MF
Membranas!"#$"%&'
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Equipamentos de UF e MF
Cassete de Membranas!"##$%$ &$'($)*+","#
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Recapitulando…Tratamento preliminar: remoção de sólidos grosseiros
Tratamento primário: sólidos sedimentáveis e parte de matéria orgânica; sólidos dissolvidos
Tratamento secundário: mecanismos biológicos para remoção de m.o. e nutrientes (P e N) e sólidos não sedimentáveis e coloidais
Tratamento terciário: nutrientes, patogênicos, metais pesados dissolvidos em baixa concentração
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
OPERAÇÕES UNITÁRIAS E PROCESSOS
PARA TRATAMENTO DE EFLUENTES E
REMOÇÃO DE CONTAMINANTES
VISÃO GERAL
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Operações Unitárias e processos para tratamento de efluentes
CONTAMINANTE OPERAÇÃO OU SISTEMA DE TRATAMENTO
Sólidos suspensos
Ø Gradeamento e cominuiçãoØ Caixa de areiaØ Sedimentação Ø FiltraçãoØ FlotaçãoØ Coagulação / sedimentação
Orgânicos (biodegradáveis)
ØLodo ativadoØFiltro biológicoØDisco biológico (Bio disco)ØVariações tecnológicas em lagoasØTratamento físico-químico
Orgânicos voláteisØAdsorçãoØ“Air stripping”ØCaptura e tratamento do gás
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Operações Unitárias e processos para tratamento de efluentes
CONTAMINANTE OPERAÇÃO OU SISTEMA DE TRATAMENTO
Patogênicos
Ø Tratamento com cloro, hipoclorito, bromoØ OzonizaçãoØ Radiação UVØ Peróxido de hidrogênio
Nutrientes (N)
ØVariações do processo de nitrificação e desnitrificaçãoØTroca IônicaØ“Stripping”da amônia
Nutrientes (P)ØAdição de sal metálicoØAdição de calØProcesso biológico
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Operações Unitárias e processos para tratamento de efluentes
CONTAMINANTE OPERAÇÃO OU SISTEMA DE TRATAMENTO
Orgânicos refratários
Ø Adsorção em carvão ativadoØ Ozonização terciáriaØ Osmose reversaØ Nanofiltração / UltrafiltraçãoØ Sistemas naturais (áreas alagadas, p .ex.)
Metais pesados
Ø Precipitação químicaØ Troca IônicaØ Sistemas naturais (áreas alagadas, p .ex.)Ø Nanofiltração / Ultrafiltração
Sólidos orgânicos dissolvidos
Ø Osmose reversaØ Troca iônicaØ Adsorção em carvão ativadoØ EletrodiáliseØ Nanofiltração / Ultrafiltração
(Adaptado de Tchobanoglous, 1991)
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üResumo das tecnologia de tratamento de efluentes
üExemp lo de c i r cu i t o t í p i cos de tratamentos de água e esgoto
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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Pré-Tratamento Tratamento primárioTratamento primário Tratamento secundárioTratamento secundário Tratamento terciárioTratamento terciárioTratamento terciário
Químico Físico Biológico Físico Químico Biológico Fis-Químico
•Gradea-mento•Caixa desarenadora•Equalização
•Coagulação•Floculação•Neutralização•Precipitação
•Decantação•Flotação•Filtração
•Filtros biológico•Biodisco•Digestão aeróbia•Digestào anaeróbia•Nintrificação•Denitrificação•Remoção do Fósforo
•Decantação
•Esterliziação
• Precipitação• Oxidação
•Tratamentos passivos
•Troca Iônica• Adsorção•Membranas• OR
RESUMO DAS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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RESUMO DAS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Seleção das tecnologias e do regime de mistura:
•Resultado de um balanço AMBIENTAL e ECONÔMICO,
nos quais entram em consideração
Ø tecnologia disponível
Ø consumo de energia,
Ø disponibilidade de espaço e
Ø custos associados (ex.: mais terreno para lagoas facultativas).
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Caracterização do efluente Determinação do objetivo
Seleção das possíveis tecnologias
Testes em laboratório e/ou piloto
Projeto de uma ou mais alternativas
Seleção de material para equipamentos
Viabilidade econômica do processo escolhido
Seleção e instalação do processo
Fluxograma genérico de seleção e
desenvolvimento de um sistema de tratamento de
efluente
(adaptado de Industrial Waste Treatment Handbook, 2nd Ed.,Elsevier, Inc., 2006)
TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
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TECNOLOGIA DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Circuito típico de geração e tratamento de efluentes industriais (adaptado de Industrial Waste Treatment Handbook, 2nd Ed.,Elsevier, Inc.)
Matéria prima
Poço
Descarga
Líquidos
SólidosEmissões aéreas
Resíduos Produtos Co-produtos
Reciclagem
água superficial
Descarte
Resíduossólidos
ProcessoIndustrial
Resíduos
Emissões aéreas
sólidos
Líquidos
Tratamento do efluente
Saída de água de processo
Resíduos
Tratamento: espessamentodeságuesecagem
Tratamento: adicional
Emissões aéreas
entrada de água
Tratamento
Descarte
Tratamento da água
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Tratamento de Efluentes Circuito típico com lodo ativado
ELEVATÓRIA DE LODO BRUTO
DESAGUAMENTO DIGESTOR
SECUNDÁRIO
ADENSAMENTO ATERRO
EFLUENTE TRATADO
ESGOTO BRUTO
DECANTADOR SECUNDÁRIO
ELEVATÓRIA DE LODO ATIVADO
TANQUE DE AERAÇÃO
DIGESTOR PRIMÁRIO
GRADEAMENTO
CAIXA DE AREIA
DECANTADOR PRIMÁRIO
Fonte: F. Gonçalves - Petrobras
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Ø Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse, George Tchobanoglous e Franklin L. Burton,, 4ª.
Edição, McGraw-Hill, New York, 2002.
Ø Gestão Ambiental, Josimar Ribeiro de Almeida, Claudia dos S. Mello, Yara Cavalcanti, Thex Editora, Rio
de Janeiro, 2004.
Ø Ecology and our endangered life-supporting systems, Eugene Odum, Sinauer Associates, Inc.,
Massachusetts, EUA, 1993.
Ø Princípios Básicos de Tratamento de Esgotos, M. von Sperling, volume 2, ABES, Rio de Janeiro, 1996.
BIBLIOGRAFIA BÁSICA
Ø Seleção de indicadores de estado e avaliação de sensibilidade dos sistemas naturais às ações antrópicas, Gustavo Araujo, Lais Alencar de Aguiar, Josimar Ribeiro de Almeida, Paulo Sérgio Moreira Soares e Roberto de Barros Emery Trindade, Série Gestão e Planejamento Ambiental, no.2, CETEM – www.cetem.gov.br, 2005
Ø Química Ambiental, Colin Baird, 2ª.Ed., Bookman, Porto Alegre, 2004.Ø Tecnologia de sistemas passivos para o tratamento de drenagem ácida de minas, Roberto de Barros Emery
Trindade e Paulo Sérgio Moreira Soares, Série Gestão e Planejamento Ambiental, no.30, CETEM – www.cetem.gov.br, 2004
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