Lama ativada

Processos de lama ativada são uma parte de um sistema complexo de tratamento de águas residuais (EPA 2002 dos EUA) . São normalmente utilizados após tratamento primário (incluindo peneiramento que remove sólidos sedimentáveis) , incluem uma ou mais câmaras principais de tratamento aerado, dispositivos de aeração, um dispositivo de mistura apropriado para manter a lama em suspensão, um clarificador secundário para separar a biomassa do efluente tratado e recolher a biomassa sedimentada, geralmente um regime de circulação não linear e altamente complexo (por exemplo, loops de recirculação, by-passing, etc.) e por vezes são seguidos por uma etapa final de polimento (ver filtração e desinfecção terciária). Os processos biológicos que ocorrem são eficazes na remoção de materiais solúveis, coloidais e particulados. O reator pode ser projetado para nitrificação e desnitrificação biológica, assim como para remoção de fósforo biológico.

O projeto deve ser baseado em uma estimativa precisa da composição e do volume das águas residuais. A eficiência do tratamento pode ser severamente comprometida se a usina for subdimensionada ou superdimensionada. Dependendo da temperatura, o tempo de retenção de sólidos (SRT) no reator varia de 3 a 5 dias para remoção de DBO, a 3 a 18 dias para nitrificação.

O excesso de lodo requer tratamento para reduzir seu conteúdo de água e orgânico e para obter um produto estabilizado adequado para o uso final ou disposição final. É importante considerar esta etapa na fase de planejamento da estação de tratamento).

Grandes quantidades de oxigênio injetado permitem manter condições aeróbicas e misturar de forma ideal a biomassa ativa com as águas residuais a serem tratadas. Para manter uma quantidade relativamente alta de microorganismos ativos úteis na remoção de substâncias orgânicas das águas residuárias, o lodo é separado do efluente por meio de um clarificador secundário (UNEP 2004) ou por filtração por membrana e mantido no processo por recirculação para o tanque de aeração. Várias modificações deste processo básico foram desenvolvidas, incluindo diferentes dispositivos de aeração, diferentes meios de coleta e reciclagem de lodo para o tanque de aeração ou clarificador primário, e melhoria do processo através da adição de uma área de meio inerte na qual o biofilme pode crescer (processo combinado de filme fixo/crescimento suspenso).

Embora as bactérias aeróbicas sejam os microorganismos mais dominantes no processo, outras bactérias aeróbicas, anaeróbicas e/ou nitrificantes juntamente com organismos superiores podem estar presentes. Assim, além da remoção de matéria orgânica, os nutrientes (amônia orgânica, fósforo) também podem ser removidos biologicamente por nitrificação/denitrificação e captação biológica de fósforo. A composição exata dos microorganismos depende do projeto do reator, do meio ambiente e das características das águas residuais (TILLEY et al. 2008). Para alcançar as condições ideais para ambas, remoção orgânica e de nutrientes, são utilizadas sequências de troca de câmaras aeróbicas e anaeróbicas.

Processo de tratamento detalhado

Após o peneiramento, areia e partículas pesadas similares são removidas em seguida em uma câmara de grão onde se fixam ao solo. Esta câmara só quer remover a areia grosseira e as águas residuais passam apenas um período relativamente curto (alguns minutos) nela (UNEP & MURDOCH 2004). Os sólidos mais pequenos são removidos em um tanque de sedimentação ou de decantação. Nesta unidade, o efluente gasta mais tempo (cerca de uma hora) para permitir uma boa separação. O lodo proveniente deste tratamento mecânico primário (incluindo o peneiramento e o assentamento na câmara de sedimentação) é chamado de lodo primário e, como todo lodo em excesso, requer uma cadeia avançada de tratamento posterior.

Após este tratamento primário, segue-se a unidade principal contendo o lodo ativado. As águas residuais pré-tratadas são misturadas com o lodo ativado concentrado de subfluxo do clarificador secundário em um tanque aerado. A aeração é feita por agitadores mecânicos de superfície ou por difusores submersos de ar comprimido (WSP 2008). A aeração fornece oxigênio ao lodo ativado e ao mesmo tempo mistura completamente o lodo e as águas residuais (UNEP & MURDOCH 2004). Durante a aeração e mistura, as bactérias formam pequenos aglomerados ou flocos (TILLEY et al. 2008). Nestas condições, as bactérias do lodo ativado degradam as substâncias orgânicas nas águas residuárias. Elas utilizam a substância orgânica para energia, crescimento e reprodução. Os produtos finais são dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e novas células.

Após algumas horas na câmara de aeração, a mistura entra então no tanque de decantação secundário (clarificador), onde os microorganismos floculados se depositam e são removidos do fluxo de efluentes. Os microorganismos assentados (o lodo ativado) são então reciclados até a cabeceira do tanque de aeração para serem novamente misturados com o efluente e continuar a crescer e formar novos lodos e degradar os orgânicos. Para manter uma quantidade ótima de lodo no sistema, a taxa de recirculação do lodo sedimentado varia de 20 a 100%. O excesso de lodo produzido diariamente (lodo ativado por resíduo) deve ser processado em uma cadeia de tratamento adicional junto com o lodo das instalações de tratamento primário. Uma cadeia convencional de tratamento do excesso de lodo consiste na digestão anaeróbica, espessamento, incineração e eliminação segura, por exemplo, em um aterro sanitário. Uma forma mais sustentável seria a compostagem do lodo (antes ou ao invés da digestão) a fim de reutilizar os nutrientes na agricultura.

Tempos de retenção hidráulica em todos os sistemas variam de algumas horas até vários dias para a fase líquida. O processo de excesso de lodo pode demorar um pouco mais, dependendo do tipo de espessamento e digestão anaeróbica aplicada. O efluente de uma instalação de lodo ativado devidamente projetada e operada é de alta qualidade, geralmente com concentrações de DBO e TSS iguais ou inferiores a 10 mg/L (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). A remoção de ambos, demanda biológica de oxigênio (DBO) e sólidos em suspensão (SST) geralmente está entre 80 e 100%, dependendo das concentrações influentes, da configuração do sistema e da temperatura (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).

Nutrientes como nitrogênio e fósforo também são removidos no processo de lama ativada, mas requerem uma configuração de diferentes câmaras aeradas e não aeradas em sistemas híbridos de lama ativada. A remoção biológica de nitrogênio é obtida primeiro pela transformação de nitrogênio orgânico em amônia, seguida pela conversão aeróbia de amônia (NH4+) em nitrito (NO2-) e então nitrato (NO3-) e a transformação anaeróbia de nitrato em nitrogênio gasoso (N2), que é então liberado para a atmosfera. A transformação do amoníaco em nitrato através de uma etapa intermediária de nitritos é chamada nitrificação. A transformação do nitrato em nitrogénio gasoso é referida como desnitrificação. Assim, uma combinação de ambos, processos aeróbicos e anaeróbicos (anóxicos) são necessários para se conseguir a completa eliminação do nitrogênio das águas residuais. Em muitos sistemas de tratamento de lodos ativados, uma cuba anaeróbica é integrada ou após a bacia aerada e antes da clarificação (pós-denitrificação); ou imediatamente antes da cuba de aeração (pré-denitrificação). No caso da pré-desnitrificação, a nitrificação tem lugar no tanque aerado após o pré-tanque aeróbio. A desnitrificação só ocorre quando o efluente do tanque aerado, contendo nitrito, é re-circulado como o lodo.

A remoção do fósforo em sistemas de lodo ativado pode ser feita quimicamente ou biologicamente. A eliminação biológica do fósforo em sistemas convencionais de tratamento de águas residuais ocorre através da captação de fósforo por algumas células bacterianas. Entretanto, apenas pouco fósforo pode ser removido desta forma, já que a fração de massa de fósforo em lodo volátil é de apenas cerca de 2,5% (HAANDEL&LUBBE 2007). Isto resulta em uma concentração de efluente de cerca de 2 a 7 mg P/L para esgoto municipal com uma concentração de COD de 500 mg/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Entretanto, em geral será necessário baixar a concentração de fósforo do efluente para um valor ≤ 1 mg P/L.

Outro processo biológico é a remoção de fósforo biológico melhorado. A remoção biológica melhorada do fósforo é baseada no cultivo de algumas bactérias especiais que acumulam fósforo, que, comparado com 2,5% P no lodo ativado convencional, pode levar a até 38% de acúmulo de P no lodo (HAANDEL&LUBBE 2007).

Quando tanto o nitrogênio quanto o fósforo devem ser removidos, a combinação torna-se ainda mais complexa. A remoção biológica aprimorada do fósforo requer geralmente um estágio anaeróbico (para o cultivo de PAO), um estágio anóxico (para desnitrificação) e um estágio aeróbico (para nitrificação e acúmulo de fósforo) em série.

Sistemas de lodos ativados, onde nutrientes valiosos (fósforo e nitrogênio) e matéria orgânica são incinerados ao invés de serem re-circulados para a produção de alimentos na agricultura não são mais percebidos como sustentáveis. A introdução da remoção de nitrogênio em uma usina de lodos ativados aumenta significativamente o volume do reator e leva a um maior consumo de energia de aproximadamente 60 a 80% para aeração (MAURER 2003). A eliminação do fósforo requer ou a adição de produtos químicos e subsequente eliminação do lodo inorgânico ou um aumento da complexidade e do volume do reator para uma melhor remoção biológica do fósforo.

Para atingir as metas específicas de efluentes para DBO, nitrogênio e fósforo, foram feitas diferentes adaptações e modificações no projeto básico de lodo ativado. As modificações bem conhecidas incluem o sequenciamento de reatores em lote (SBR), valas de oxidação, poços profundos, aeração prolongada, leitos móveis e biorreatores de membrana.

Reactores descontínuos sequenciais (SBRs)

O processo pode ser operado em lotes, onde as diferentes condições são alcançadas no mesmo reator, mas em momentos diferentes (UNEP & MURDOCH 2004). O tratamento consiste em um ciclo de cinco etapas: encher, reagir, assentar, desenhar e ocioso. Durante o tipo de reação, o oxigênio é adicionado por um sistema de aeração. Durante esta fase, as bactérias oxidam a matéria orgânica tal como nos sistemas de lodos activados. Em seguida, a aeração é interrompida para permitir o assentamento da lama. Na etapa seguinte, a água e o lodo são separados por decantação e a camada transparente (sobrenadante) é descarregada da câmara de reação (METCALF & EDDY 2007). Dependendo da taxa de produção de lamas, algumas lamas também podem ser purgadas. Após uma fase de ociosidade o tanque é cheio com um novo lote de águas residuais (UNEP & MURDOCH 2004). Pelo menos dois tanques são necessários para o modo de operação por lote, já que a influência contínua tem de ser armazenada durante a fase de operação. (Muito) pequenos sistemas (e.g. servindo pequenas povoações) podem aplicar apenas um tanque. Neste caso, o influente deve ser retido num tanque ou descarregado continuamente para o fundo do tanque de modo a não perturbar as fases de assentamento, tracção e ociosidade. Os SBRs são adequados para escoamentos mais baixos porque o tamanho de cada tanque é determinado pelo volume de águas residuais produzidas durante o período de tratamento no outro tanque (UNEP & MURDOCH 2004). Para maiores informações sobre os sistemas de lodos ativados por SBR, favor consultar WSP (2007) ou U.S. EPA (1999).

Oxidation Ditches

Oxidation ditches are large round or oval ditches (channel reactors) with one or more horizontal aerators to guarantee oxygen supply, and to mix and move the content around the ditch. A influência triada entra na vala de oxidação, é arejada e circula a cerca de 0,25 a 0,35 m/s (SANIMAS 2005). A operação pode ser contínua ou intermitente. A sedimentação primária normalmente não é necessária, mas os tanques de sedimentação secundários são geralmente utilizados. O volume de tratamento necessário per capita é de cerca de 1 m³ (SANIMAS 2005). As valas de oxidação são adequadas para áreas onde a disponibilidade de terra é alta. Elas têm a vantagem de serem relativamente fáceis de manter e são resistentes a cargas de choque que muitas vezes ocorrem em comunidades menores (por exemplo, na hora do café da manhã e à noite). O tempo típico de retenção hidráulica é entre 24 a 48 horas com uma idade de lodo de 12 a 20 dias (Wikipedia 2010). Para mais informações sobre valas de oxidação, consulte U.S. EPA (2000), WSP (2007) ou WSP (2008).

Eixos profundos

Onde a terra está em falta, o esgoto pode ser tratado por injecção de oxigénio num fluxo de lodo de retorno sob pressão, que é injectado na base de um tanque colunar profundo enterrado no solo. Este tipo de reator de lodo ativado é chamado de poço profundo. Tais poços podem ter até 100 m de profundidade. À medida que o esgoto sobe, o oxigênio forçado em solução pela pressão na base do eixo irrompe como oxigênio molecular. Isto fornece uma fonte altamente eficiente de oxigênio para os microorganismos contidos na lama ativada. O oxigênio ascendente e a lama injetada de retorno fornecem o mecanismo físico para a mistura. O lodo misturado e as águas residuais influentes são decantadas à superfície e separadas em sobrenadantes e componentes do lodo. A eficiência do tratamento de lodos em profundidade pode ser alta, mas requer profissionais qualificados para a construção, operação e manutenção; além disso, uma grande quantidade de energia (adaptado da Wikipedia (2012)).