Apostila Tratamento de Efluentes

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA UFSC CENTRO TECNOLGICO CTC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS EQA

APOSTILA

TRATAMENTO DE EFLUENTESProf. Hugo Moreira Soares

Florianpolis, Maro de 2007

Esta apostila foi preparada especificamente e to somente para atender s disciplinas de Engenharia Ambiental e de Tratamento de Efluentes, ministradas nos Cursos de Engenharia Qumica 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 no poder ser reproduzida, a no ser para atender este objetivo a que se destina.

INDICE Pgina 1. POLUIO DAS GUAS 1.1. Ocorrncia das guas 1.2. Indicadores de Qualidade da gua 1.3. Padres de Qualidade da gua 1.4. Fontes de Poluio e Seus Efeitos 2. COLETA E PRESERVAO DE AMOSTRAS 3. MTODOS ANALTICOS PARA CARACTERIZAO DE GUAS 4. PROCESSOS DE TRATAMENTO DAS GUAS 5. TRATAMENTO FSICO-QUMICO 5.1. Pr-Tratamentos (pr-oxidao, ajuste de pH e abrandamento) 5.2. Coagulao/Floculao 5.3. Decantao/Flotao 5.4. Filtrao 5.5. Desinfeco 5.6. Fluoretao 5.7. Ajuste final 5.8. Outros Processos de Tratamento Fsico-Qumicos

6. TRATAMENTO BIOLGICO 6.1. Microbiologia e Bioqumica 6.2. Parmetros de Controle de Processo 6.3. Sistemas de Tratamento 6.3.1. Sistemas Aerbios 6.3.2. Sistemas Anaerbios 6.3.3. Vantagens e desvantagens dos processos aerbios e anaerbios 6.3.4. Remoo de Nitrognio 6.3.5. Remoo de Fsforo

Apostila para o Curso de Graduao em Engenharia Qumica Disciplina de Engenharia Ambiental EQA 5309

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1. POLUIO DAS GUAS 1.1. Introduo No Brasil, o conceito de poluio definido por lei (Lei n. 6.938/81, art. 3, III), como sendo a degradao da qualidade ambiental resultante de atividade que direta ou indiretamente: a) prejudiquem a sade, a segurana e o bem estar da populao; b) criem condies adversas s atividades sociais e econmicas; c) afetem desfavoravelmente a biota; d) afetem as condies estticas ou sanitrias do meio ambiente; e) lancem matrias ou energia em desacordo com os padres ambientais estabelecidos. Na realidade, poluio um conceito relativo, pois a gua em seu estado natural varia suas caractersticas enormemente de uma fonte para outra, podendo enquadra-se em condies de usos diversos. Determinados mananciais naturais possuem caractersticas que j so imprprias para o consumo humano, ou at mesmo para usos menos exigentes, como a irrigao de hortalias e plantas, necessitando serem tratadas previamente para tais usos. Nesta anlise deve-se considerar que devido ao ciclo hidrolgico, aos movimentos das guas em seus mananciais, as interaes das guas com os meios slidos e gasosos promovem alteraes em sua composio, no sentido de promover a sua deteriorao ou depurao, ou at mesmo uma associao entre ambos, dependendo do caso em questo. A poluio ento est associada alterao das condies naturais em um determinado manancial que se encontra em equilbrio ambiental. Os efeitos adversos provocados pela qualidade da gua para um determinado fim sero resultantes das condies naturais do manancial e da interferncia promovida pelo homem no mesmo. 1.2. Ocorrncia das guas A gua essencial para a existncia da vida em nosso planeta. Todas as reaes bioqumicas ocorrem em meio aquoso, pelo transporte de ons atravs das membranas celulares. O direito gua um dos direitos fundamentais do ser humano: o direito vida, tal qual estipulado no Art. 30 de Declarao Universal dos Direitos Humanos. A Terra chamada muitas vezes como o planeta gua, pois 2/3 de nossa superfcie ocupada pelos oceanos. Estima-se que a quantidade de gua livre sobre a terra de 1.370 milhes de Km3. Por este motivo, at alguns anos atrs no se dava importncia sua preservao, imaginando que este seria um bem inesgotvel. Realmente, se olharmos somente os nmeros de uma forma fria, disponibilidade de gua no seria um problema. Porm, se observarmos um pouco mais profundamente sobre como estas guas ocorrem e sua distribuio na terra o quadro pode ficar bem diferente. A Tabela 1.1 apresenta a distribuio das guas no Planeta Terra. Observa-se que a grande maioria destas guas encontra-se no mar e, portanto, no disponveis para o consumo humano direto. Esta gua poderia ser dessalinizada, porm os custos desta operao so muito elevados, inviabilizando princpio seu uso. Da mesma forma, as guas que encontram-se em geleiras e em grandes profundidades, exigiriam investimentos muito grandes para sua viabilizao de uso para abastecimento. As guas que esto mais disponveis para o uso direto ao consumo e com o menor investimento so as guas subterrneas de baixa profundidade e as dos rios e lagos.

1Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Tabela 1.1: Distribuio das guas na Terra 97,40% 2,30% 0,29% 0,01% Oceanos (guas salgadas) Geleiras polares e glaciais guas subterrneas em grandes profundidades (> 800 m) guas subterrneas em baixa profundidade (< 800 m) Rios e lagos

As guas subterrneas de baixa profundidade so utilizadas para abastecimento de pequenas comunidades, no sendo vivel para grandes centros urbanos. Neste caso, os rios e lagos naturais ou artificiais, como barragens, so os mais indicados. No entanto, so justamente estes mananciais que so mais vulnerveis interferncia do homem. A quantidade de gua na terra que estaria mais facilmente disponvel para consumo humano de 4.149.200 Km3, o que seria suficiente para abastecer o planeta de gua sem que houvesse preocupao com a sua disponibilidade, porm, deve-se considerar uma srie de fatores, principalmente a distribuio da mesma por regies e a contaminao dos mananciais. 1.3. Ciclo da gua A ocorrncia das guas no planeta e sua distribuio esto vinculadas ao ciclo hidrolgico a que esto submetidas. As guas encontram-se em constante movimento e transformam-se de um estado da matria em outro, dependendo das circunstncias em que se encontram. A Figura 1.1 apresenta o ciclo hidrolgico da gua ou mais comumente chamado de ciclo da gua.

Transpirao

Escoamento superficial

Figura 1.1: O ciclo hidrolgico da gua Fonte: www.riolagos.com.br/calsj/ciclo-agua.htm



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Os mecanismos de transferncia da gua so: a evaporao da gua em contato direto com o sol e os ventos, dependendo da temperatura e da umidade relativa do ar; a transpirao das plantas e dos animais da gua contida em seus corpos; a precipitao da gua que foi vaporizada podendo estar na forma de chuva, neve granizo ou orvalho; a gua que chega em terra poder escoar na superfcie (escoamento superficial) formando rios e lagos ou poder escoar para dentro da terra (infiltrao), formando os lenis dgua (gua subterrnea). As guas superficiais iro escoar e uma parte ir infiltrar-se na terra e outra parte ir evaporar-se. Os excedentes desta gua iro para o mar e posteriormente sero evaporadas. As guas subterrneas tambm esto em movimento, podendo ser armazenadas em mananciais subterrneos ou aflorarem na forma de rios, lagos ou fontes naturais. Durante estas transformaes a gua poder sofrer alteraes de seu estado natural, podendo ser contaminada no necessariamente na sua origem, mas pelo caminho percorrido at chegar ao manancial. 1.4. Indicadores de Qualidade da gua. A gua um composto inorgnico, possuindo 2 tomos de hidrognio e 1 de oxignio, ligados por ligaes covalentes, formando um ngulo de 105o, de tal forma que as cargas positiva e negativa no sejam concntricas, conferindo a caracterstica polar gua. A Figura 1.2 apresenta um desenho da molcula da gua. Devido caracterstica polar de sua molcula qumica a gua um solvente poderoso e pode ser atrada por campos magnticos. A gua dissociada em ons H+ e OH-, conferindo-lhe um pH neutro. temperatura ambiente (> 0oC) encontra-se no estado lquido. A gua na sua caracterstica original no apresenta cor, odor ou sabor.

+H

105o

H+

O Figura 1.2: Molcula da gua medida que vo sendo introduzidos outros elementos s molculas de gua estes vo conferindo propriedades que podem afast-la de suas caractersticas originais. Segundo Mota (1997), as condies naturais de ocorrncia da gua so determinadas atravs de diversos parmetros, representando suas caractersticas fsicas, qumicas e biolgicas, conforme discriminadas a seguir: INDICADORES DE QUALIDADE FSICA - Cor: resulta da existncia, na gua, de substncias em soluo, tais como o Fe, Mn, matria orgnica, algas, corantes, resinas e uma srie de outras substncias de origem natural ou introduzida pelo homem. A cor por si s no se constitui em um elemento txico prejudicial sade humana, mas como no se conhece a sua origem existe um risco potencial sade se esta for utilizada para fins de consumo ou contato direto.



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Sabor e odor: resultam de causas naturais (algas, vegetao em decomposio, bactrias, fungos, compostos orgnicos, etc.) e artificiais (esgotos domsticos e industriais). Podem no estar associados a riscos contra a sade, porm, da mesma forma como a cor, existe um risco potencial de contaminao. A gua deve ser isenta de qualquer cor odor ou sabor para o consumo direto. Turbidez: A presena de material em suspenso na gua interfere na passagem da luz, conferindo uma aparncia turva chamada turbidez. Sua origem tambm pode ser natural (partculas de rocha, argila, algas, microrganismos) ou de origem artificial (esgotos domsticos e industriais, eroso). Um dos problemas associados a turbidez que estas partculas podem servir de suporte para microrganismos patognicos impedindo a sua eficiente desinfeco e tambm servir de sorvente de compostos qumicos txicos do meio aumentando sua concentrao de forma localizada. Temperatura: A temperatura influi nas propriedades da gua, altera as velocidades das reaes qumicas e biolgicas, altera a solubilidade de compostos qumicos de origem orgnica ou inorgnica e interferem na solubilidade dos gases. A temperatura da gua deve ser mantida em valores prximos de sua ocorrncia natural para no alterar o equilbrio de seu ecossistema.

INDICADORES DE QUALIDADE QUMICA - pH: o potencial hidrognio que mede o equilbrio entre as espcies qumicas de carter cido e bsico. A sua escala varia entre 0 e 14 e o perfeito equilbrio entre as espcies qumicas encontra-se em pH = 7. Valores diferentes da neutralidade vo conferir um carter agressivo gua, podendo provocar prejuzos no s vida dos organismos mas tambm aos materiais. O pH interfere em todas as reaes qumicas e bioqumicas, alm de interferir nas conformaes espaciais das molculas. - Alcalinidade: So sais alcalinos dissolvidos na gua, principalmente Na e Ca, que tero a capacidade de reagir com os ons H+ neutralizando-os. Ao efeito de resistncia mudana de pH do meio d-se o nome de efeito tampo. Os principais constituintes da alcalinidade so os bicarbonatos (HCO3-), carbonato (CO32-) e os hidrxidos (OH-). Maiores detalhes sobre o pH e a alcalinidade esto descritos no Captulo II.1. - Dureza: A dureza resulta da presena de sais alcalinos terrosos (Ca e Mg), ou de outros metais bivalentes. Estes ctions podem reagir na gua formando precipitados reduzindo a formao de espuma do sabo e provoca incrustaes nas tubulaes de caldeiras. Causa sabor desagradvel e efeitos laxativos. Estes sais podem ser de origem natural ou antropognica. - Ferro e mangans: O ferro e o mangans so ons que esto presentes nos solos e podem ser introduzidos na gua. Estes compostos quando no seu estado oxidado apresentam-se insolveis, causando colorao avermelhada ou marrom gua, promovendo manchas em roupas. Alm disso, conferem sabor e propiciam o desenvolvimento de ferrobactrias causadoras de mau cheiro, colorao e incrustaes. - Cloretos: Os cloretos so provenientes de sais dissolvidos de minerais ou por introduo de guas salgadas. Os esgotos domsticos e industriais tambm podem introduzir cloretos na gua. Alm disso, o desinfetante mais utilizado no tratamento de guas de abastecimento so sais de cloro, deixando um residual perceptvel quando consumido. Os cloretos conferem sabor salgado e propriedades laxativas gua - Fluortos: em concentraes adequadas so benficos no combate s cries, porm, em concentraes elevadas causam a fluorose dentria (mancha escura nos dentes). Por lei, estes so adicionados gua como um programa de erradicao de cries em populaes carentes. - Oxignio dissolvido: A grande maioria dos seres vivos na superfcie terrestre utiliza o oxignio como receptor final de eltrons nas suas reaes para gerao de energia4Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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(catablicas). A concentrao de oxignio dissolvido na gua pura de aproximadamente 7,5 mg/L a 30oC, quando em equilbrio com a atmosfera (APHA, AWWA, WEF. ,1995). uma concentrao muito baixa, mas suficiente para manter as espcies aquticas existentes. Umas espcies so mais exigentes outras menos, havendo uma variao de espcies presentes dependendo do nvel de oxignio dissolvido na gua. Qualquer elemento que esteja presente que possa reduzir a concentrao do oxignio dissolvido considerado poluente. Matria orgnica: A matria orgnica a fonte de carbono para os microrganismos heterotrficos. Se houver a presena de microrganismos heterotrficos aerbios, estes consumiro o oxignio dissolvido para o seu metabolismo. Caso no haja oxignio disponvel, os microrganismos anaerbios degradam a matria orgnica gerando gases que podem ser mau cheirosos, como o H2S e cidos volteis. Alm disso, podem causar problemas conferindo: cor, sabor e turbidez gua. A concentrao de matria orgnica medida em termos de demanda qumica de oxignio (DQO), demanda bioqumica de oxignio (DBO) ou por carbono orgnico total (COT). Algumas vezes, quando conveniente, a concentrao de matria orgnica pode ser expressa na forma de slidos volteis (SV). Os mtodos analticos para sua determinao encontram-se no Captulo 3. Nitrognio e Fsforo: Os organismos autotrficos fotossintetizantes presentes em ambientes aquticos naturais tm seu crescimento limitado pela presena de nutrientes (N e P). Quando estes so lanados nestes mananciais atravs de esgotos sanitrios ou efluentes industriais permitem o crescimento destes organismos, principalmente o de algas. Estas algas promovem a turvao da gua impedindo a passagem de luz. Aps seu ciclo de vida, as algas morrem e depositam-se no fundo do manancial sendo ento degradadas pelas bactrias heterotrficas presentes no meio. A princpio so degradadas pelas bactrias aerbias que consomem o oxignio do meio, prejudicando a sobrevivncia dos organismos aquticos. Aps o fim do oxignio, bactria anaerbias continuam a degradao, produzindo gases, levando flotao do material depositado aumentando a concentrao de material em suspenso. A este fenmeno d-se o nome de eutrofizao. Outros compostos inorgnicos e orgnicos: vrios compostos orgnicos e inorgnicos so txicos aos organismos vivos, no devendo ser lanados na gua. Estes so provenientes do lanamento de esgotos gua, principalmente de origem industrial.

INDICADORES DE QUALIDADE BIOLGICA So vrios os microrganismos presentes na gua sendo alguns deles prejudiciais sade, devendo ser controlados. Diferentes tipos de bactrias, vrus e protozorios podem transmitir doenas atravs da ingesto da mesma. Dentre estes aquele de maior preocupao de origem bacteriana. A potencialidade de uma gua transmitir doenas pode ser medida de uma forma indireta atravs de microrganismos indicadores. Estes microrganismos indicadores so 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 so os coliformes totais e fecais. O microrganismo mais abundante nos coliformes fecais a Escherichia coli (~80%), por isso, muitas vezes medida a quantidade deste microrganismo para expressar a quantidade de coliformes fecais, devido sua facilidade de deteco. A sua presena no necessariamente significa que a gua est contaminada com microrganismos patognicos, mas indica que houve contato com os seres de sangue quente e que h um potencial risco de contaminao. Alm dos coliformes algumas vezes se faz necessrio o acompanhamento mais especfico de outros microrganismos como a presena de girdia e de ovos de helmintos.



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1.5. Padres de Qualidade da gua Antes de estabelecer parmetros para o lanamento de poluentes na gua deve-se estabelecer os padres de qualidade destas guas. Os teores mximos de impurezas permitidos na gua so estabelecidos em funo dos seus usos. Sendo assim, os mananciais so classificados pela sua pureza e destino e tambm em funo da salinidade da gua. guas doces so aquelas com salinidade inferior a 0,5%, guas salobras tm salinidade maior que 0,5 e menor que 30% e guas salgadas tem salinidade maior que 30%. A Tabela 1.2 apresenta a classificao das guas doces segundo seus principais usos no Brasil. Tabela 1.2: Classificao das guas segundo seus usos principais, de acordo com a Resoluo no 357, de 17/03/2005 do CONAMA. CLASSE Classe Especial Classe 3 USOS Abastecimento para consumo humano com desinfeco Preservao do equilbrio natural das comunidades aquticas Preservao dos ambientes aquticos em unidades de conservao e proteo integral Abastecimento domstico, aps tratamento simplificado Preservao das comunidades aquticas Recreao de contato primrio, tais como natao, esqui aqutico e mergulho, conforme resoluo do CONAMA no 274 de 2000. Irrigao de hortalias que so consumidas cruas e de frutas que se desenvolvem rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoo de pelcula Proteo das comunidades aquticas em terras indgenas Abastecimento domstico, aps tratamento convencional Preservao das comunidades aquticas Recreao de contato primrio, tais como natao, esqui aqutico e mergulho, conforme resoluo do CONAMA no 274 de 2000. Irrigao de hortalias, plantas frutferas e de parques, jardins e campos de esporte e lazer, com os quais o pblico possa a vir a ter contato direto Aqicultura e atividade de pesca Abastecimento e consumo humano, aps tratamento convencional Irrigao de culturas arbreas, cerealferas e forrageiras Pesca amadora Recreao e contato secundrio Dessedentao de animais Navegao Harmonia paisagstica

Classe 1

Classe 2

Classe 4

Percebe-se que a classificao das guas doces considera a existncia de mananciais de qualidade varivel, desde um grau de pureza elevado at guas para usos pouco nobres. Percebe-se tambm que todas as guas, exceto a de classe 4 pode ser usada para abastecimento, desde que seja adequadamente tratada. Aps esta classificao, h a necessidade de se estabelecer parmetros que caracterizem as guas segundo a sua classificao. A Tabela 1.3 apresenta alguns dos parmetros mais importantes utilizados no Brasil.6Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Tabela 1.3: Alguns parmetros para as classes de gua doces de acordo com a Resoluo no 357, de 17/03/2005do CONAMA. CLASSE PARMETROS (LIMITES) ESPEC 1 2 3 4 Coliforme Termotolerante * 200(1) 1000 2500(2) (3) (ou E. coli) (NMP/100 ml) 1000 4000(4) leos 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 slidos * ... ... ... ... corantes * ... ... ... Materiais flutuantes * ... ... ... ... Odor ou sabor * ... ... ... Slidos dissolvidos totais * 500 500 500 (mg/L) Cor (mg Pt/L) * 75 75 OBS: * devem ser mantidas as caractersticas originais da gua na origem; ... virtualmente ausente; - no existe padro; Irid. toleram-se iridescncias (1) para demais usos que no seja de recreao (esta definida pela Resoluo do CONAMA no 274de 2000) (2) recreao (3) dessedentao (4) demais usos O CONAMA tambm define os principais padres de para balneabilidade e padres para uso de guas para irrigao, que no so abordados neste livro. Alm destes, o CONAMA tambm define padres de potabilidade da gua, e os padres de lanamento de guas residurias. Estes padres de qualidade das guas so utilizados pelos rgos de poluio locais, redefinindo os seus padres em funo das necessidades especficas de cada regio. Porm, os padres definidos pelo CONAMA so as concentraes mnimas que devem ser atingidas, implicando em que qualquer parmetro redefinido por um rgo local deve atingir concentraes iguais ou inferiores s da legislao federal. Observa-se que os valores apresentados na Tabela 1.3 so indicativos da qualidade dos mananciais no sendo os parmetros de lanamento das guas residurias. Estes valores significam que a soma dos lanamentos em um determinado manancial, em conjunto com as guas que so alimentadas no mesmo no devem ultrapassar estes valores, ou seja, no devem ser suficientes para mudar a sua classificao. PADRES DE POTABILIDADE Os padres de potabilidade so definidos pela Portaria no 30/90 do Ministrio da Sade e os seus valores esto apresentados na Tabela 1.4, alm dos seguintes parmetros: - pH entre 6,5 e 8,5 - Coliformes fecais: ausncia em 100 ml de amostra - Cloro residual livre: concentrao mnima de 0,2 mg/l em qualquer ponto da rede distribuidora7Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Tabela 1.4: Valores mximos permissveis (VMP) para as caractersticas da gua potvel (Portaria no 36 de 19/01/90 do Ministrio da Sade). CARACTERSTICAS I.Fsicas e Organolpticas Cor aparente Odor Sabor Turbidez II. Qumicas IIa. Componentes Inorgnicos Arcnio Brio Cdmio Chumbo Cianetos Cromo total Fluoretos Mercrio Nitratos (N) Prata Selnio UNI D uH (1) uT (2) VMP CARACTERSTICAS Heptacloro Hexaclorobenzeno Lindano Metoxicloro Pentaclorofenol Tetracloreto de carbono Tetracloroeteno Toxafeno Tricloroeteno Trihalometanos 1,1 Diclororeteno 1,2 Dicloroetano 2,4,6 Triclorofenol UNI D g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l g/l VMP 0,1 0,001 3 30 10 3 10 5,0 30 100 (6) 0,3 10 10 (7)

5 (3) obje. obje. 1 (4)

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

0,05 1,0 0,005 0,05 0,1 0,05(5)

0,001 10 0,05 0,01

IIb. Componentes 0,03 Orgnicos g/l Aldrin e Dieldrin 10 g/l Benzeno 0,01 g/l Benzeno-a-pireno Clordano (total de 0,3 g/l ismeros) 1 g/l DDT 0,2 g/l Endrin (1) uH a unidade de escala de Hazen (de platina - cobalto). (2) uT a unidade de turbidez, seja unidade de Jackson ou nefelomtrica (3) Para a cor aparente o VMP 5 (cinco) uH para gua entrando no sistema de distribuio. O VMP de 15 (quinze) uH permitido em pontos da rede de distribuio. (4) Para a turbidez o VMP 10 uT para a gua entrando no sistema de distribuio. O VMP de 5,0 uT permitido em pontos da rede de distribuio se for demonstrado que a desinfeco no comprometida pelo uso desse valor menos exigente. (5) Os valores recomendados para a concentrao do on fluoreto em funo da mdia das temperaturas mximas dirias do ar devero atender legislao em vigor. (6) Sujeito reviso em funo dos estudos toxicolgicos em andamento. A remoo ou preveno de trihalometanos no dever prejudicar eficincia da desinfeco. (7) Concentrao limiar de odor de 0,1 ug/L (8) Sujeito reviso em funo de estudos toxicolgicos em andamento.

IIb. Componentes que afetam a qualidade organolptica Alumnio mg/l Agentes tensoativos mg/l Cloretos (Cl) mg/l Cobre mg/l Dureza total (CaCO3) mg /l Ferro total mg/l Mangans mg/l Slidos totais dissolvidos mg/l Sulfatos (SO4) mg/l Zinco mg/l

0,2 (8) 0,2 250 1,0 500 0,3 0,1 1000 400 5



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Normalmente, quando se realizam anlises de potabilidade da gua, referem-se s caractersticas organolpticas, o pH, os coliformes totais e fecais, o cloro residual e, dependendo do caso, algumas anlises do grupo IIb da Tabela 1.4. As outras determinaes so realizadas em casos especiais quando h risco de contaminao por algum destes componentes especficos devido s atividades agrcolas e industrias da regio. PADRES DE LANAMENTO DE GUAS RESIDURIAS O CONAMA tambm d diretrizes bsicas para o estabelecimento de padres de qualidade para o lanamento de guas residurias em corpos dgua, no entanto, delegado aos rgos estaduais de controle da poluio o estabelecimento de parmetros que julgue serem mais adequados aos casos especficos de suas regies. A legislao local deve ser minimamente aquelas sugeridas pelo CONAMA podendo estes rgos ter padres mais exigentes, porm nunca menos exigentes. A Tabela 1.5 apresenta estes padres definidos pelo CONAMA. Tabela 1.5: Padres de qualidade do efluente industrial segundo a Resoluo no 357, de 17/03/2005 do CONAMA. CARACTERSTICAS UNID. VMP CARACTERSTICAS UNID. VMP Mercrio total mg/l 0,01 I.Fsico-Qumicas 5 a 9 Nitrognio amoniacal mg/l 20,0 PH Faixa o C 40 Nquel total mg/l 2,0 Temperatura Slidos sedimentveis ml/l 1,0 Prata total mg/l 0,1 Selnio mg/l 0,3 II. Qumicas Sulftos mg/l 1,0 IIa. Componentes Zinco total mg/l 5,0 Inorgnicos mg/l 0,5 Arcnio total mg/l 5,0 IIb. Componentes Brio mg/l 5,0 Orgnicos Boro total Cdmio total mg/l 0,2 Clorofrmio mg/l 1,0 mg/l 0,5 Dicloroeteno mg/L 1,0 Chumbo Cianetos mg/l 0,2 Tricloroeteno mg/l 1,0 mg/l 1,0 Tetracloreto de carbono mg/l 1,0 Cobre Cromo total mg/l 0,5 Fenis mg/l 0,5 Estanho mg/l 4,0 leos minerais mg/l 20,0 Ferro total mg/l 15,0 leos vegetais e gorduras mg/l 10,0 animais mg/L 20 Fluoretos Mangans (+2) solvel mg/l 1,0 Um parmetro de especial ateno a concentrao de matria orgnica. O CONAMA deixa livre para os rgos estaduais definirem a concentrao que deve ser exigida no lanamento dos efluentes. Geralmente neste quesito os rgos estaduais exigem uma concentrao de Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO5) de 60 mg de O2/L, ou reduzir pelo menos 80% da concentrao inicial de matria orgnica. A reduo de 80% para alguns efluentes industriais pode ainda significar concentraes elevadssimas, ficando a critrio do rgo controlador a deciso de permitir o lanamento do efluente em funo do manancial. Como ser visto no Captulo 3, a DBO um parmetro que requer algum cuidado no uso de seus resultados, por isso, alguns estados esto lanando mo do uso da determinao da Demanda Qumica de Oxignio (DQO), em conjunto com a DBO, para avaliar o grau de impacto do lanamento de efluentes em cursos dgua.



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1.6. Fontes de poluio e seus efeitos Vrias so as fontes de poluio das guas e seus efeitos nocivos ao homem. Estas fontes podem ser pontuais ou difusas. As fontes pontuais geralmente possuem elevadas concentraes de poluentes descarregadas em um nico ponto, como a descarga de uma gua residuria industrial em um rio local. J as fontes difusas, geralmente so diludas e distribudas em vrios pontos do manancial, como a drenagem pluvial de defensivos agrcolas. As conseqncias da poluio hdrica envolvem: prejuzos ao abastecimento humano, tornando-se veculo de transmisso de doenas; prejuzos a outros usos da gua, tais como industrial, irrigao, pesca, recreao, etc.; agravamento dos problemas de escassez de gua de boa qualidade; elevao do custo do tratamento da gua, refletindo-se no preo a ser pago pela populao; assoreamento dos mananciais, resultando em problemas de diminuio da oferta de gua e de inundaes; prejuzos aos peixes e a outros organismos aquticos; desequilbrios ecolgicos; proliferao excessiva de algas e de vegetao aqutica, com suas conseqncias negativas; degradao da paisagem; desvalorizao das propriedades marginais; impactos sobre a qualidade de vida da populao A seguir so apresentadas algumas das principais fontes de poluio das guas, a sua origem e suas conseqncias: POLUIO DAS GUAS SUPERFICIAIS - Esgotos domsticos: Provenientes da atividade humana. Possuem matria orgnica em concentraes relativamente baixas quando comparadas com efluentes industrias, porm ainda suficiente para desenvolver microrganismos heterotrficos aerbios que iro consumir o oxignio da gua. Outra preocupao da contaminao com esgotos domsticos a presena de coliformes fecais indicando a potencialidade de conter microrganismos que transmitem doenas. Alm destes, outros problemas associados ao esgoto sanitrio esto a cor, odor, sabor, turbidez e uma srie de outros compostos orgnicos e inorgnicos ainda no controlados pelo CONAMA. Os esgotos domsticos so os maiores responsveis pela poluio hdrica devido aos grandes volumes envolvidos, descentralizao de sua gerao e a precrios sistemas de tratamento implantados. - Esgotos industriais: Provenientes da atividade industrial podendo ter uma composio diversa dependendo do seu ramo. Alguns possuem alta concentrao de matria orgnica e outros compostos txicos e recalcitrantes. Grandes desafios so enfrentados para o desenvolvimento de tecnologias adequadas ao tratamento destas guas. - guas pluviais: Estas guas podem carregar impurezas da superfcie do solo ou contendo esgotos lanados nas galerias. Normalmente carregam consigo resduos de origem urbana e so lanados na natureza de forma pontual, ou resduos de origem rural, como pesticidas e fertilizantes de forma dispersa. - Resduos slidos (lixo): O lixo urbano acondicionado de forma inadequada libera um lquido percolado chamado de chorume que contm altas concentraes de matria orgnica e de metais pesados, alm de uma infinidade de compostos orgnicos. A precipitao das chuvas auxilia na lixiviao destes compostos aumentando os riscos de contaminao. - Precipitao de poluentes atmosfricos: Poluentes atmosfricos podem ser carreados pelas chuvas aos mananciais hdricos. Dentre os poluentes mais comuns encontram-se os cidos sulfrico e ntrico pela converso de gases contendo SOx e NOx na atmosfera. - Eroso: Alteraes nas margens dos mananciais, como o desmatamento, provocando a remoo de solo e conseqente assoreamento dos mananciais.10Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Acidentes industriais: Acidentes provocados pelo manuseio e transporte de compostos qumicos em mananciais ou em regies prximas. POLUIO DAS GUAS SUBTERRNEAS - Infiltrao de esgotos domsticos: Muitos municpios no possuem sistema de coleta e tratamento dos esgotos domsticos. Como alternativa de tratamento, as residncias possuem sistema de fossa sptica e disperso no solo (sumidouros ou valas de infiltrao). Outra forma muito comum o uso de sistemas de tratamento usando lagoas de estabilizao ou em outro sistema usando deposio no solo, como o sistema de fertirrigao, usado de forma no controlada. - Infiltrao do chorume: Resultante de depsitos de lixo no solo sem prvia impermeabilizao e acondicionamento. - Infiltrao de guas pluviais: Estas guas carreiam pesticidas, fertilizantes, detergentes e poluentes atmosfricos depositados no solo. - Vazamentos de tubulaes ou depsitos subterrneos: Acidentes provocados pelo manuseio e transporte de compostos qumicos em mananciais ou em regies prximas - Injeo de guas no subsolo: a injeo de guas no subsolo pode ser praticada para o tratamento destas guas, como o esgoto sanitrio, ou para extrair compostos de interesse comercial, como a injeo de gua salgada na extrao do petrleo. - Resduos de outras fontes: percolados de cemitrios, minas, depsito de material radioativo, e uma srie de outras atividades. AUTODEPURAO DOS CORPOS DGUA O impacto que as guas residurias causam ao meio ambiente depende muito da sua composio qumica, da quantidade e da velocidade com que estes so lanados ao meio ambiente e da capacidade daquele ambiente natural em neutralizar os efeitos adversos causados pelos poluentes atravs das prprias caractersticas ambiente especfico. A esta capacidade de recuperao do ambiente natural por recursos prprios d-se o nome de efeito de autodepurao. Um ecossistema antes de sofrer o lanamento de poluentes encontra-se num estado de equilbrio fsico, qumico e biolgico, de tal forma que as reaes interativas entre seus meios permanea de forma global constantes. Quando introduzimos um composto estranho ao ambiente este ir reagir perturbao tendendo a voltar ao equilbrio anterior. Dependendo da magnitude desta perturbao o ecossistema poder atingir outro estado de equilbrio diferente do original, o que seria indesejvel. Portanto, deve-se conhecer com a maior preciso possvel a capacidade de autodepurao do manancial em questo, frente ao poluente que est sendo introduzido no mesmo. Este conhecimento de grande valia, auxiliando na definio da utilizao da capacidade do manancial em funcionar como um sistema de tratamento do resduo e impedir que sejam lanados resduos em quantidades acima desta capacidade. Este conceito se aplica, a princpio, a qualquer composto poluente e a qualquer ambiente natural, porm, para ilustrar este conceito, um exemplo da capacidade de autodepurao de um rio quando lanado uma corrente de esgoto sanitrio apresentado a seguir na Figura 1.3. A figura mostra que ao ser lanado um esgoto sanitrio em um ponto especfico de um rio, contendo principalmente matria orgnica como poluente primrio, a princpio a concentrao de oxignio dissolvido (OD) na gua cai pela dissoluo dos compostos qumicos no meio. Logo aps, essa concentrao comea a cair mais devido a atividade dos microrganismos heteretrficos aerbios que consomem tambm a matria orgnica (DBO) lanada no meio. Com este metabolismo, a concentrao dos microrganismos cresce at que a concentrao de substrato (matria orgnica) j no 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 agitao natural reaera o sistema voltando a crescer a sua concentrao11Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos

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dissolvida no meio. No final do processo, os microrganismos voltam a concentraes prximas s anteriores, devido morte dos mesmos pela falta de substrato e o oxignio dissolvido tambm assume valores prximos aos originais.Esgoto (matria orgnica) fluxo do rio

Oxignio Dissolvido (OD)

Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO)

Conc. Celular (bactrias aerbias heterotrficas)

Comprimento do rio Zona de degradao Zona de decomposio Zona de recuperao Zona de guas limpas

Zona de degradao: gua com aspecto escuro e sujo; DBO atinge o valor mximo no ponto de lanamento, porm comea a cair com a atividade dos microrganismos heterotrficos aerbios; slidos sedimentam; amnia produzida; Zona de decomposio ativa: o teor de oxignio atinge o mnimo podendo atingir condies anaerbias; DBO continua decrescendo com a atividade de microrganismos aerbios e anaerbios; oxignio re-introduzido no sistema pela aerao e pela diminuio da atividade dos microrganismos; Zona de recuperao: a atividade microbiana muito baixa devido a grande parte da matria orgnica ter sido degradada; a re-aerao excede a desoxigenao; nitrognio predomina na forma de nitritos e nitratos; proliferao de algas; peixes e outros organismos retornam ao sistema; Zona de guas limpas: retorno s condies de origem, porm, no exatamente s caractersticas iniciais, verificadas pela presena de nitratos, fosfatos, sais dissolvidos que antes no haviam.

Figura 1.3: Lanamento de esgotos nos corpos dgua e o efeito de autodepurao. FONTE: Mota (1997)12Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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1.7 guas residurias e seus tratamentos A associao da transmisso de doenas via hdrica com os resduos lanados em mananciais datam de pouco mais de 100 anos. A partir de ento, as guas residurias domsticas, ou esgotos sanitrios, passaram a receber especial ateno com relao ao seu destino final. J as guas residurias industriais, efluentes de processos de fabricao especficos, somente vieram a ser de importncia aps a revoluo industrial, ou seja, quando estes passaram a ser produzidos em grande escala. Durante o sculo XX o desenvolvimento econmico de um pas foi diretamente relacionado com o desenvolvimento agrcola e industrial e atravs da explorao de seus recursos naturais, o que vem mudando um pouco esta perspectiva no sculo XXI. Este desenvolvimento se deu sem uma maior preocupao com as conseqncias ao meio ambiente, gerando um passivo ambiental considervel. Atualmente, os pases desenvolvidos vm centrando esforos para reverter a situao remediando os ambientes contaminados e tratando suas guas residurias em nveis de purificao cada vez mais exigentes. No entanto, a gerao de bens de consumo para suportar o crescimento econmico, associado s necessidades bsicas de sobrevivncia do ser humano, minimizando os impactos ambientais causados pela atividade do homem, continuam a ser grandes desafios, principalmente para pases em desenvolvimento. Esta conscincia das diferenas entre os pases desenvolvidos e em desenvolvimento fundamental, pois a economia mundial est cada vez mais associada aos investimentos nas questes ambientais o que poder abrir um grande abismo entre estas naes. Cumprir as determinaes das leis preciso, porm, de forma sustentvel. Na definio de um processo de tratamento de resduos ser selecionada a tecnologia que melhor se adequa quela situao, sendo a deciso tomada em relao ao nvel de desenvolvimento da tecnologia e dos custos envolvidos, conforme a realidade do local de suas instalaes. Para a tomada de deciso deve-se primeiro analisar as caractersticas da gua residuria para ento verificar qual o nvel de tratamento que deve ser aplicado para chegar aos parmetros exigidos pela legislao. Dentre as principais caractersticas das guas residurias deve-se estar atento para aquelas que definem a necessidade de uma ou mais etapas de processo, as quais sero descritas a seguir: Vazo A vazo um dos principais parmetros que ir definir o tamanho dos tanques que iro compor a planta de tratamento. Deve-se verificar a sua variao ao longo de um perodo de trabalho para que se possa definir a necessidade de promover sua equalizao. O projeto de uma planta de tratamento poder considerar a vazo de pico ou poder, aps um tanque de equalizao, ser utilizada a vazo mdia para os clculos. pH O pH, como visto anteriormente, essencial tanto para regular as reaes qumicas como as reaes bioqumicas. Altera o equilbrio das reaes, influencia as interaes fsicoqumicas de adsoro, modifica a conformao de enzimas, interfere no transporte de ons para dentro de clulas vivas, altera o estado de oxidao de compostos qumicos dissolvidos, alm de ser muito importante na seleo de materiais de construo de tanques com relao aos seus efeitos corrosivos. Muitos processos podem ter necessidade de correo do pH antes de sua introduo no tanque de reao e outros sero modificados medida que as reaes ocorrem, havendo necessidade de um monitoramento e correo contnuos. Este um dos parmetros que se pode facilmente medir e controlar on-line em plantas de tratamento mais sofisticadas.13Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Temperatura A temperatura um parmetro muito importante. De forma equivalente ao pH, a temperatura influi na velocidade das reaes qumicas e bioqumicas, influi na estabilidade das enzimas e modifica as propriedades do meio, como viscosidade e densidade. A temperatura tambm pode ser medida e monitorada facilmente em plantas de tratamento de efluentes. Slidos em suspenso: A presena de slidos em suspenso na gua residuria deve ser analisada com cuidado, dependendo de sua natureza. Se os slidos forem majoritariamente inorgnicos estes devem ser removidos antes de serem alimentados para o sistema de tratamento propriamente dito, pois podero provocar o assoreamento e abraso dos equipamentos subseqentes. Como estes j se encontram num estado da matria de fcil separao, o uso da fora da gravidade atravs uma cmara de sedimentao uma opo adequada para sua remoo. Caso os slidos sejam de origem orgnica, a necessidade de separ-los depender de sua concentrao e do processo de tratamento que ser utilizado. Normalmente estes so separados em sedimentadores e tratados de forma independente da matria orgnica dissolvida, pois existem tecnologias mais adequadas para cada tipo de resduo; leos e graxas: As gorduras (leos e graxas) so contaminantes presentes em vrios efluentes, principalmente aqueles originados na indstria de alimentos. Primeiramente, deve-se avaliar a potencialidade de seu reuso como matria prima de uma srie de produtos, como na fabricao de sabo e na indstria de cosmticos. A sua presena nos processos subseqentes trs uma srie de problemas operacionais, devido s caractersticas de aderncia s superfcies que possui este material, aumentando a manuteno dos equipamentos e diminuindo a eficincia da degradao dos compostos solveis em gua. A sua remoo tambm facilitada pela diferena de densidade entre estes e a gua, sendo a flotao a alternativa comumente usada; Matria orgnica: O tipo de matria orgnica e sua concentrao devem ser analisados para auxiliar na escolha do sistema a ser utilizado. Como ser visto nos captulos subseqentes, uma srie de fatores iro influenciar na deciso de que tipo de processo deva ser melhor aplicado em cada caso, seja processos aerbios ou anaerbios. A tendncia atual a aplicao 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 importncia so aqueles necessrios em grandes quantidades para o crescimento dos microrganismos (macronutrientes), como o nitrognio, o fsforo e o enxofre. Existem mtodos fsico-qumicos para a remoo destes compostos, como a precipitao e a volatilizao (striping), no entanto, recentemente esto sendo desenvolvidos processos biolgicos de remoo destes compostos, que tambm so combinaes de processos aerbios seguidos de anaerbios, ou vice-versa. Por outro lado, se estes compostos estiverem presentes em quantidades insuficientes para sustentar o crescimento dos microrganismos desejveis ao processo de degradao, estes devem ser adicionados em quantidades suficientes para este fim;



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Compostos txicos e recalcitrantes: A presena de compostos txicos aos microrganismos e de compostos de difcil degradao deve ser analisada com cautela. Dependendo da natureza do composto txico e de sua concentrao seu efeito deve ser neutralizado antes de entrar no reator biolgico. Na maioria dos casos contorna-se a situao diluindo-se a gua residuria com o prprio efluente tratado antes de ser alimentado no reator biolgico. Aps o tratamento biolgico, estes compostos devem ser removidos por processos fsico-qumicos especficos, podendo envolver adsoro, troca inica, oxidao fotocataltica ou qumica, e uma srie de outros processos; Microrganismos patognicos: Os esgotos domsticos, por sua origem, possuem microrganismos patognicos, indicados pelos coliformes fecais. Aps todo o processamento das guas residurias um elevado grau de inativao destes microrganismos foi realizado, no entanto, normalmente no suficiente para remov-los aos nveis exigidos pela legislao. Um tratamento por oxidao qumica normalmente empregado para atingir os nveis exigidos. Como exemplo, a Tabela 1.6 apresenta as caractersticas do esgoto sanitrio. Observase nesta tabela que os esgotos sanitrios possuem uma concentrao de matria orgnica pouco concentrada, comparada com as caractersticas da maioria dos efluentes industriais, o que implica em trabalhar com grandes volumes de lquido em reatores operados a baixos tempos de residncia. Nota-se tambm que estes possuem uma concentrao de slidos em suspenso elevada em relao aos slidos totais, indicando haver necessidade de uma separao prvia destes slidos antes de prosseguir com o tratamento biolgico. Uma boa parte destes slidos em suspenso so materiais orgnicos (~80%), indicando haver necessidade de tratamento dos resduos slidos separadamente, podendo ser utilizado um processo biolgico para tal. Nos slidos dissolvidos tambm h uma grande quantidade de matria orgnica, indicando a viabilidade do uso de processos biolgicos para remoo da matria orgnica. Como complementao, verifica-se que h excesso de nitrognio e fsforo nestes efluentes, que devem ser removidos ao final do processo, para fins de atendimento aos parmetros definidos pela legislao. Baseado nestas premissas, a Figura 1.4, apresenta um fluxograma genrico de uma planta de tratamento de esgotos domsticos com seus principais elementos.



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Tabela 1.6: Caractersticas tpicas de esgotos sanitriosParmetro Slidos Totais Em suspenso - Fixos - Volteis Dissolvidos - Fixos - Volteis Sedimentveis Matria orgnica Determinao indireta 40-60 - DBO5 80-130 - DQO 60-90 -DBOltima Determinao direta 30-60 - COT 6,0-112,0 Nitrognio total (N) 2,5-5,0 Nitrognio orgnico (N) 3,5-7,0 Amnia (N-NH4+) ~0 Nitrito (N-NO2 ) 0,0-0,5 Nitrato (N-NO3 ) 1,0-4,5 Fsforo (P) 0,3-1,5 Fsforo orgnico (P) 0,7-3,0 Fsforo inorgnico (P) pH Alcalinidade (CaCO3) 20-30 Cloretos 4-8 leos e graxas 10-30 Fonte: adaptado de von Sperling (1996) Contribuio per capita (g/hab dia) Faixa Tpico 180 120-220 60 35-70 10 7-14 50 25-60 120 85-150 70 50-90 50 35-60 Concentrao (mg/L) Faixa Tpico 1100 700-1350 400 200-450 80 40-100 320 165-350 700 500-900 400 300-550 300 200-350 15 10-20

50 100 75 45 8,0 3,5 4,5 ~0 ~0 2,5 0,8 1,7 25 6 20

200-500 400-800 350-600 170-350 35-70 15-30 20-40 ~0 0,2 5-25 2-8 4-17 110-170 20-50 55-170

350 700 500 250 50 20 30 ~0 ~0 14 4 10 7,6,7-7,50 140 35 110

Esgoto

Caixa de areia

Gradeamento

Reciclo de lodo

Leito de secagem

Biodigestor

Ps-Tratamento (remoo de nitrognio e fsforo e/ou desinfeco)

Figura 1.4: Fluxograma do Tratamento Convencional de Esgotos Domsticos



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Da mesma forma que para o esgoto sanitrio, a Tabela 1.7 apresenta as principais caractersticas de alguns efluentes industrias. Tabela 1.7: Caractersticas tpicas de alguns efluentes industriaisGnero Tipo Unid. de produo 1 ton 1 ton 1 ton aucar 1000 L de leite 1000 L de leite 1 ton 1boi/2,5 porcos 1 ton 1 ton 1 m3 1 m3 1 m3 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton de pele 1000 pares 1 ton 1 ton 1 ton 1 empregado 1 ton 1 barril (117L) 1 ton 1 ton 1 ton 1 ton gusa 1 ton Cons. esp. de gua (m3/unid) 4-50 5-25 0,5-10,0 1-10 2-10 20 0,3-0,4 150 60 5-20 2-5 5 120-750 500-600 25-60 100-150 60-130 20-70 20-60 20-40 5 15-200 30-270 200-250 0,110 25-200 0,2-0,4 12,5 50 5 3-8 8-50 Carga esp. de DBO (kg/unid) 30 2-8 2-5 1-4 5-40 30 4-10 1.100 220 8-20 3-6 0,25 150 300 30 45 185 100-250 100-200 16 20-150 15 30 10 60-500 1 50 0,05 10 0,6-1,6 0,4-2,7 Conc. de DBO (mg/L) 600-7.500 200-1.000 250-5.000 300-2.500 500-4.000 1.500 15.00020.000 7.500 3.500 500-4.000 600-2.000 200-1.500 500-600 500-1.200 350 1.500-3.000 2.000-5.000 2.000-5.000 250-300 1.000-4.000 3.000 300 300-10.000 10 250-2.000 120-250 800 100-300 30-200

Alimentcia

Bebidas

Txtil

Couros e Curtumes Polpa e Papel

Indstria Qumica

Indstria Nometlica Siderrgica - Fundio - Laminao Fonte: adaptado de von Sperling (1996)

- Conservas - Doces - Acar de cana - Laticnio sem queijaria - Laticnio com queijaria - Margarina - Matadouros -Produo de levedura - Destilao de lcool -Cervejaria - Refrigerantes - Vinho - Algodo - L - Rayon - Naylon - Polyester - Lavanderia de l - Tinturaria - Alvejamento de tecidos - Curtumes - Sapatos - Polpa sulfatada - Papel - Polpa e Papel integrados - Tinta - Sabo - Refinaria de Petrleo - PVC - Vidro e subprodutos - Cimento

Como pode ser observada na tabela acima a composio de uma gua residuria industrial depende em muito do tipo de produo na indstria e muito diferente das caractersticas encontradas nos esgotos domsticos. As possibilidades de processos para o tratamento destes efluentes so vrias e depender muito da experincia prvia com a gua residuria em questo, devido s particularidades no s da produo, mas das prticas cotidianas da fbrica. A composio de uma planta de tratamento de guas residurias 17Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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complexa e depende de uma srie de decises, podendo variar muito de um projetista para outro. A ttulo de ilustrao, a Figura 1.5 apresenta um fluxograma genrico para o tratamento de efluentes industriais. Uma prtica comum realizada no passado e que hoje evitada, ou no recomendada, a mistura dos efluentes industriais com os esgotos sanitrios, devido a uma srie de problemas associados, como diluio dos compostos txicos dificultando o seu tratamento. No entanto, no incomum tratar o efluente industrial e depois lan-lo na rede de esgotos municipal para sofrer um polimento final.Tanque de Equalizao

Efluente Industrial

Pr-Tratamento Fsico-Qumico

Tratamento Biolgico

Decantador

Peneira

Leito de Secagem

Ps-Tratamento Biolgico ou Fsico-Qumico

Figura 1.5: Fluxograma do Tratamento de Efluentes Industriais importante ressaltar que as caractersticas dos efluentes industriais apresentadas na Tabela I.1.7 est em constante modificao, pois h um movimento no sentido de minimizar a gerao de resduos e economizar insumos, promovendo os programas de reuso e de reciclo de guas e de recuperao de insumos e produtos. Como exemplo, na fabricao de cervejas era comum utilizar 10 a 15 litros de gua para produzir 1 litro de cerveja. Atualmente, esta mdia j ultrapassou a barreira dos 5 litros de gua por litro de cerveja produzida, considerada como faixa mnima h alguns anos atrs. Com a minimizao do descarte de gua no processo a tendncia de aumentar as concentraes de matria orgnica e dos poluentes encontrados nos efluentes industriais, o que por um lado interessante do ponto de vista do tratamento dos resduos orgnicos, mas por outro trs desafios ainda no mensurados para tratar estas guas altamente concentradas em resduos txicos e recalcitrantes.



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2. COLETA E PRESERVAO DE AMOSTRAS 2.1. Introduo A coleta e preservao de amostras de efluentes so etapas que precedem a anlise fisico-qumica que, junto com outras informaes tais como vazo de produo em funo do tempo, temperatura, adio de produtos qumicos e outras, iro subsidiar o projeto do sistema de tratamento. Sendo uma atividade que dever fornecer informaes bsicas, as quais iro 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 informaes que retratem a realidade da forma mais fiel e acurada possvel. 2.2. Planejamento O planejamento tem por objetivo definir as atividades de coleta, preservao, manuseio e transporte das amostras, de modo a assegurar a obteno de todas as informaes necessrias da forma mais precisa, com o menor custo possvel. Esta fase deve definir em detalhes o programa de coleta de amostras, levando em considerao os mtodos analticos que sero aplicados, assim como prever os recursos humanos, materiais e financeiros necessrios. Um bom planejamento dever ser embasado em informaes preliminares como: 2.2.1. A gerao dos efluentes necessrio conhecer em detalhes os processos industriais responsveis pela produo dos efluentes: suas variaes ao longo do dia, semana, etc, os insumos empregados, o regime de descarga dos efluentes, o procedimento para a limpeza das instalaes, sua freqncia e produtos utilizados para esse fim, e outros detalhes operacionais que influem na qualidade dos efluentes. necessrio tambm levantar a existncia ou a possibilidade de implantar uma separao das correntes provenientes de diferentes operaes. 2.2.2. Presena de substncias qumicas potencialmente txicas A toxicidade das substncias presentes deve ser considerada na definio dos mtodos analticos que sero usados, que por sua vez podero influir no planejamento da coleta e tratamento das amostras. 2.2.3. Parmetros fsico-qumicos de interesse Para cada parmetro existe uma forma adequada de coleta e preservao de amostras. Por exemplo, a amostragem para a caracterizao da DBO (demanda bioqumica de oxignio) de um efluente deve levar em conta que a amostra perde a validade em 24 horas. Alm disso, preciso prever o tipo de frasco (se de plstico ou de vidro) a ser utilizado para cada parmetro, de modo a minimizar erros resultantes da adsoro da espcie qumica de interesse na parede do recipiente, fator que se torna mais crtico em baixos teores.



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2.3. Programa de coleta de amostras O programa detalhado de coleta de amostras produto da etapa de planejamento. Deve conter a definio de itens como: . Pontos de coleta . Forma de coleta (se pontual, contnua ou composta de fraes peridicas) . Freqncia de coleta . Perodo de amostragem . Volume da amostra ou frao . Procedimentos quanto ao manuseio e preservao das amostras . Procedimento para a guarda e transporte das amostras . Responsvel pela amostragem No ato da coleta das amostras imprescindvel que se leve em conta a vazo do efluente. Por exemplo, se for o caso de uma amostra composta, cada frao deve ser proporcional vazo no momento da coleta. necessrio que a pessoa designada para a coleta esteja qualificada quanto a todos os procedimentos envolvidos, e especialmente no manuseio dos produtos qumicos a serem adicionados na amostra ou na frao coletada. O planejamento deve ter previsto tambm uma infra-estrutura para a refrigerao das amostras e um procedimento para o armazenamento e/ou transporte seguro e rpido ao laboratrio de anlise. 2.4. Preservao das amostras As seguintes tcnicas so empregadas para a preservao das amostras. 2.4.1. Congelamento um mtodo de preservao que pode ser aplicado para aumentar o intervalo de tempo entre a coleta e a anlise, para a maior parte dos parmetros de composio qumica. No pode ser usado para a determinao do teor de slidos filtrveis e no filtrveis ou de qualquer parmetro nessas fraes, pois os componentes dos resduos em suspenso se alteram com o congelamento e posterior descongelamento. 2.4.2. Refrigerao usada quando outras tcnicas no podem ser empregadas, como no caso de anlises microbiolgicas e algumas determinaes qumicas e biolgicas. 2.4.3. Adio de agentes qumicos o mtodo de preservao mais conveniente, quando possvel, pois oferece o maior grau de estabilizao da amostra e por maior espao de tempo. No entanto, no possvel recorrer a adies qumicas em casos de determinao de parmetros biolgicos como a DBO (demanda bioqumica de oxignio), contagem de microrganismos, etc, e em casos de ocorrncia de interferncias na anlise qumica. 2.5. Recomendaes para coleta e preservao de amostras A Tabela 2.1 apresenta as recomendaes da CETESB, 1987, quanto ao tipo de frasco para coleta, quantidade de amostra necessria, forma de preservao e o prazo entre a coleta e o incio de anlise, para os parmetros de maior interesse. A Tabela 2.2 apresenta sugestes dos parmetros de caracterizao por tipo de atividade industrial (Vitoratto, 1993).20Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Tabela 2.1 - Cuidados na coleta e preservao de amostras: P = polietileno; V = vidro neutro ou borossilicato; R = refrigerao a 4oC (CETESB, 1987)Parmetro Acidez Alcalinidade Boro Carbono Orgnico Total Cianeto Cloreto Cloro residual Condutividade DBO DQO Fenis Fluoreto Fosfato total Volume de lodo Mercrio Metais N amoniacal / orgnico leos e graxas Oxignio consumido Oxignio dissolvido pH ST / SV SST / SSV Sulfato Sulfeto Temperatura Tensoativos P, V P, V P, V P, V V P, V Frasco P, V P, V P P, V P P, V P, V P, V P, V V, mbar P P, V proveta de 1000 mL P, V P, V P, V V, tampa de teflon ou vidro, boca larga P, V frasco de DBO Vol. de amostra (mL) 200 200 100 100 500 200 100 2.000 200 1.000 100 200 1.000 250 1.000 1.000 1.000 150 300 200 1.000 1.000 200 300 250 Preservao R R R H2SO4 at pH12; R medida em campo R R H2SO4 at pH OCl- > NH2Cl Ordem de resistncia do microrganismo: Cysts > vrus > bactria CINTICA DA DESINFECO A efetividade de um desinfetante determinada por ensaios de laboratrio, com o intuito de obter curvas C x T. para cada microrganismo patognico. dN/dt = - kN t tempo de contato k constante que depende do desinfetante coeficiente de letabilidade especfica C concentrao do desinfetante n coeficiente de diluio (geralmente = 1) ln (N/N0) = -kt log (N/N0) = - k t 2,3 ln (N/N0) = -kt k = Cn N concentrao de microrganismos

log (N/N0)

0 -1 -2 -3 -4

tempo N/N0 (frao remanescente) 0,1 0,01 0,001 0,0001 -log N / N0 (reduo logartimica) 1 2 3 4 % Morte (% de inativao) 90 99 99.9 99.99



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Foi observado que: Cn t(% morte) = K(% morte) C conc. do desinfetante. Para cada desinfetante e para cada microrganismo so construdas curvas de C x t, a uma dada temperatura e pH, para atingir um % de inativao desejado. Se n = 1, Ct constante.



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Valores de Ct para Inativao de Girdia Cysts pelo Oznio a pH 6-9 Inativao Temperatura (log) 0.5 5 10 15 20 0,48 0,32 0,23 0,16 0,12 0,5 0,97 0,63 0,48 0,32 0,24 1 1,5 0,95 0,72 0,48 0,36 1,5 1,9 1,3 0,95 0,63 0,48 2 2,4 1,6 1,2 0,79 0,60 2,5 2,9 1,9 1,4 0,95 0,72 3

25 0,08 0,16 0,24 0,32 0,40 0,48

Valores de Ct99 para destruio de classes de microrganismos para vprios desinfetantes Agente desinfetante Microrganismo HOCl OCl NH2Cl O3 ClO2 HOBr 0,02 1,0 50 0,005 0,2 0,5 E. coli 1,0 10 500 0,005 1,5 0,06 Polivirus 1 20 8000 150 2 5 40 Entamoeba histolytica Nem todos os organismos microscpicos e formas superiores de vida na gua podem ser removidos por todos esses mtodos, por exemplo, a Endamoeba histolytica no removida pela clorao comum. Alguns suprimentos pblicos de gua so desinfetados com oznio, porm o nico desinfetante em uso geral nos suprimentos pblicos de gua o cloro. No se dispondo de dados sobre a demanda de cloro da gua a ser desinfetada, recomenda-se iniciar a aplicao com a dosagem de 1 mg/L de cloro. Iniciada a desinfeco, devero ser coletadas amostras de gua nos extremos da rede de distribuio, a fim de conhecer o pH da gua. De posse deste parmetro e utilizando-se a Tabela, a seguir determina-se qual a concentrao recomendada de cloro residual livre ou combinado a ser obtido na gua aps o tempo de contato indicado. pH 6a7 7a8 8a9 9 a 10 Cloro livre em mg/L aps 10 minutos 0,2 0,2 0,4 0,8 Cloro combinado em mg/L Aps 60 minutos 1,0 1,5 1,8 1,8 a 2,0

Caso a residual obtido seja diferente, dever ser aumentada ou diminuda a dosagem aplicada. Os exames bacteriolgicos subseqentes indicaro os efeitos da desinfeco processada. O residual mximo permitido por lei est limitado na considerao sobre o odor levemente perceptvel de cloro.



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5.6. Fluoretao A fluoretao realizada para introduzir na gua o flor que age como agente de combate crie. A adio feita atravs de sais de flor na forma slida ou em soluo. Os compostos mais utilizados so: fluorsilicato de sdio, fluoreto de sdio, fluorita e o cido fluorsilcico. LIMITES RECOMENDADOS PARA A CONCENTRAO DE ION FLUORETO SEGUNDO AS NORMAS DE GUA POTVEL DO SERIO DE SADE PBLICA DOS ESTADOS UNIDOS Mdia anual das temperaturas mximas dirias do ar (oC) 10,0 a 12,1 12,2 a 14,6 14,7 a 17,7 17,8 a 21,4 21,5 a 26,3 26,4 a 32,5 Limites recomendados para a concentrao do on fluoreto (mg/l) Inferior 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 timo 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 Superior 1,7 1,5 1,3 1,2 1,0 0,8

5.7. Ajuste final Aps a gua ter sido tratada at os nveis desejados de depurao, deve-se fazer uma correo do pH, caso este se encontre fora dos nveis permitidos, a fim de no provocar danos s tubulaes e equipamentos. Esta necessidade ir depender de quais foram os processos e condies utilizadas anteriormente.



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5.8. Outros Processos Fsico-Qumicos 5.8.1. Adsoro A adsoro aplica-se transferncia fsica de um soluto, num gs ou num lquido, para uma superfcie slida, onde ele fica retido em conseqncia de interaes microscpicas com as partculas constitutivas do slido. O soluto no se dissolve no slido, mas permanece na superfcie do slido ou nos poros do slido. O processo de adsoro muitas vezes reversvel, de modo que a modificao da presso, ou de temperatura pode provocar a fcil remoo do soluto adsorvido no slido. No equilbrio, o soluto adsorvido tem uma presso parcial igual existente na fase fluida em contato, e pela simples modificao da temperatura, ou da presso de operao, o soluto pode ser removido do slido. A adsorso um fenmeno fsico que depende, em boa medida, da rea superficial e do volume dos poros. A estrutura dos poros limita as dimenses das molculas que podem ser adsorvidas, e a rea superficial limita a quantidade de material que pode ser adsorvido. importante a escolha dos adsorventes. Os slidos devem ter caractersticas de pequena queda de presso e boa resistncia mecnica para suportar o manuseio. Alm disso os adsorventes so seletivos quanto capacidade de adsoverem solutos especficos. Por isso, a natureza do slido deve ser cuidadosamente ponderada para que se tenha a segurana de um desempenho satisfatrio. Os adsorventes comerciais incluem a bentonita, a bauxita, a alumina, o carvo de ossos, a terra fuller, o carvo ativo e a slica gel. Os principais equipamentos utilizados na adsoro so colunas empacotadas, onde percola-se o efluente a ser tratado. Assim que as caractersticas do efluente atingirem uma concentrao final superior aquela estipulada, para-se o processo para proceder-se a regenerao da mesma. A Figura abaixo apresenta um esquema da operao destas colunas.

Os dados de equilbrio so usualmente apresentados na forma de isotermas de adsoro. Estes dados so necessrios antes de se poder aplicar a equao de projeto. Alm disso, o conhecimento dos coeficientes de transferncia de adsoro uma condio necessria. O fenmeno da adsoro ocorre porque na direo normal superfcie, o campo dos elementos da rede no est balanceado, assim as molculas adsorvidas sobre uma superfcie so mantidas por foras que provm desta superfcie (ex. Foras de van der Waals). Os principais fatores que influenciam a adsoro so: rea superficial; natureza do adsorbato; pH; temperatura; natureza do adsorvente; presena de outros componentes.49Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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5.8.2. Troca Inica A troca inica um processo no qual ons ligados por foras eletrostticas para carregar grupos funcionais na superfcie de um suporte slido so trocados por ons de carga similar em uma soluo onde estes slidos esto imersos.

Geralmente estes materiais utilizados para este processo so resinas sintticas, porm, de conhecimento que muitos materiais naturais promovem um efeito de troca inica, tais como o solo, celulose, algodo, carvo ativo, etc. As resinas so um emaranhado de radicais de hidrocarbonetos nos quais esto ligados os grupos funcionais inicos solveis. Estes emaranhados formam os poros deste material. A natureza destes grupos funcionais ir determinar a capacidade de remoo de determinados ons, podendo estes serem catinicos ou aninicos. A Figura abaixo apresenta um desenho esquemtico destas resinas. Uma vez trocado os ons, as resinas podem ser regeneradas utilizando solues inicas fortes (que tem maior afinidade pelos grupos funcionais do que os ons trocados). As principais reaes de troca esto representadas abaixo: 1. Trocadores de ctions fortemente acdicos: Forma com hidrognio Forma com sdio (regenera com HCl ou H2SO4) (regenera com NaCl) 2+ + 2R-SO3H + Ca (R-SO3)2Ca + 2H 22R-SO3Na + Ca2+ 2Na+

(R-SO3)2Ca +

2. Trocadores de ctions fracamente acdicos: Forma com hidrognio Forma com sdio (regenera com HCl ou H2SO4) (regenera com NaCl) 2R-COOH + Ca2+ (R-COO)2Ca + 2H+ 2R-COONa + Ca2+ (R-COO)2Ca + 2Na+50Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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3. Trocadores de anions fortemente bsicos: Forma com hidrxido Forma com colrto (regenera com NaOH) (regenera com NaCl) 2R-R3NOH + SO42- (R-R3N)2SO4 + 2R-R3NCl + SO42- (R-R3N)2SO4 + 2OH2Cl4. Trocadores de anions fracamente bsicos: Forma com hidrxido Forma com clorto (regenera com NaOH) (regenera com NaCl) 22R-NH3OH + SO4 (R-NH3)2SO4 + 2R-NH3Cl + SO42- (R-NH3)2SO4 + 2OH2ClOs tipos de equipamentos e a forma de operao so muito similares s aquelas das colunas de adsoro apresentadas anteriormente. Neste caso, opera-se uma coluna de troca catinica seguida de uma coluna de troca aninica em srie.

Mediante o uso de trocadores inicos convenientes, isoladamente ou em seqncia, possvel fazer o tratamento da gua de forma a torn-la apropriada a qualquer aplicao, desde simples operaes de lavagem, que requerem apenas a gua livre de dureza, at utilizaes qumicas e eletrnicas crticas, que exigem gua com uma resistividde maior que 10 megahoms por centmetro. Quando a gua inicial turva, ou contm cloro livre ou matria orgnica, necessrio um pr-tratamento por outros mtodos.51Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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5.8.3. Separao por membranas (osmose reversa, ultrafiltrao e nanofiltrao). Os processos de separao com membranas, como o prprio nome sugere, so processos onde uma corrente de fluido passa atravs de uma membrana que, dependendo do dimetro e das caractersticas do material da mesma, ir separar os componentes indesejveis. As diferenas dos vrios processos so basicamente o tamanho de poro destas membranas e a fora motriz empregada. A Tabela abaixo mostra a aplicabilidade dos vrios processos de separao em funo do dimetro das partculas.



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No caso da osmose inversa, aplica-se uma fora superior presso osmtica da soluo, em sentido reverso. A Figura abaixo apresenta um esquema da osmose direta e a reversa.

J os processos de ultrafiltrao e nanofiltrao, so aqueles onde as presses osmticas so negligveis devido ao tamanho dos poros envolvidos nas membranas, ocorrendo apenas um processo de reteno das partculas por tamanho de poro. Existem vrios tipos de equipamentos utilizados, porm aqueles que so mais comuns so do tipo cartucho, conforme a Figura abaixo.



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5.8.4. Eletrodilise A eletrodilise tambm um processo de separao com membranas em que a soluo submetida a um potencial eltrico por dois eletrodos, ocasionando uma corrente eltrica de ctions para o eletrodo negativo e de nions para o eletrodo positivo. No interior da clula de eletrodilise, h membranas seletivas de um s tipo de ons , existindo membranas permeveis a somente ctions, e permeveis a nios somente. A eficincia de remoo dos sais dissolvidos aumenta com o nmero de membranas instaladas e clulas em srie. A Figura abaixo apresenta um desenho esquemtico do processo de eletrodilise.

Para evitar problemas de obstruo das membranas, necessrio pr-tratamento, devendo ser removidos slidos em suspenso. A obstruo acarreta tambm reduo da corrente eltrica, aumentando a resistncia e consequentemente menor eficincia do equipamento. Os eletrodialisadores, com resinas trocadoras catinicas e aninicas em forma granulada, mostram-se teis na descontaminao das guas de rejeito de resduos radioativos diludos; as resinas removem os ltimos traos dos ons radioativos.



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6- TRATAMENTO BIOLGICO DE RESDUOS A utilizao de microrganismos nos processos de tratamento de guas residuria realizada h mais de um sculo. Esta rea vem se desenvolvendo de forma exponencial medida que a microbiologia vem desvendando os mistrios do comportamento dos microrganismos na natureza. A biotecnologia aplicada ao tratamento de efluentes vem sendo utilizada principalmente para remoo da matria orgnica, no entanto, outros poluentes tambm podem ser removidos pela ao direta ou indireta dos microrganismos. Incluem-se entre os processos mais conhecidos a remoo de nitrognio, fsforo, sulfato, alm da remoo de metais pesados pelos processos de biolixiviao e biosoro. Contaminantes orgnicos txicos, antes considerados recalcitrantes ou at mesmo no biodegradveis, vem mostrando-se passveis de serem transformados biologicamente, principalmente devido evoluo e otimizao dos processos de tratamento. Esta capacidade dos microrganismos em metabolizar diferentes compostos vem no sentido de extrair dos mesmos fontes nutricionais e energticas necessrias para o crescimento e funes metablicas dos mesmos. O tratamento biolgico de resduos emprega a ao conjunta de espcies diferentes de microrganismos, em biorreatores, que operados sob determinadas condies resulta na estabilizao dos mesmos. Em geral, os diferentes tipos microbianos nos processos biolgicos de tratamento atuam conjuntamente, formando uma verdadeira cadeia alimentar com interaes nutricionais facultativas e obrigatrias. 6.1- Microbiologia e Bioqumica A grande maioria dos processos biolgicos de tratamento esto associados ao crescimento dos microrganismos envolvidos. Ou seja, a medida que o substrato (matria orgnica e nutrientes) vai sendo consumido (degradado), os microrganismos crescem proporcionalmente em massa. degradao do substrato = crescimento microbiano proporcional No entanto, a biotransformao de alguns compostos no tem sido associada a nenhum benefcio para a clula, seja nutricional ou energtico. Estas transformaes ao acaso vem sendo chamadas de fortuitas. Estes so casos muito particulares, os quais no sero objeto deste curso. NUTRIO E NUTRIENTES A composio qumica do meio de importncia fundamental nestes processos biolgicos, sendo um fator determinante da predominncia das populaes de microrganismos que iro participar do mesmo. Compostos doadores de eltrons (ou de hidrognio): so compostos passveis de oxidao, perdendo eltrons em reaes REDOX. Ex. matria orgnica. Compostos receptores de eltrons (ou de hidrognio): so compostos passveis de reduo, recebendo os eltrons dos doadores, em reaes REDOX. Ex. matria orgnica, O2, CO2, SO42- e NO3-. Fontes de energia: compostos que ao serem metabolizados geram energia. Ex. compostos orgnicos, compostos inorgnicos e luz. Fontes de carbono: compostos que ao serem metabolizados so transformados em material celular. Ex. compostos orgnicos e CO2.55Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Fontes de nitrognio: NH3, NO3 e NO2 Nutrientes minerais: compostos essenciais para o crescimento. Macronutrientes (P, S, Na, K, Fe, Mg e Ca) e micronutrientes (Ni, Co, Zn, Bo, Mo, Se, etc). Fatores de crescimento: compostos essenciais para o crescimento que alguns microrganismos no sintetizam. Ex. vitaminas, aminocidos, etc.

A grande maioria das guas residurias possui, alm do seu contedo orgnico, uma composio bastante diversificada, contendo a maioria dos compostos necessrios para o crescimento dos microrganismos em geral. No entanto, aqueles nutrientes que so necessrios em maiores quantidades deve-se estar atento para verificar se os mesmos esto em quantidades suficientes. O nitrognio e o fsforo so os de maior interesse. Portanto, necessrio que se verifique as concentraes proporcionais destes nutrientes em funo da quantidade de matria orgnica que deseja-se degradar. Considerando que as molculas de carbono devem combinar-se com as de nutrientes para gerar as molculas da composio celular, um bom ponto de partida para avaliar as necessidades nutricionais a anlise elementar da composio celular. Frmula qumica mdia de microrganismos Bactria aerbia: Anaerbia: Leveduras: C5H7O2N C5H9O3N C7H12O3N

Por tanto, de se imaginar que uma relao C:N de 5:1, no caso de bactrias seria o ideal para atender estas necessidades. No entanto, deve-se considerar alguns fatos nesta anlise: nem todo o carbono ser utilizado para a composio celular, ficando uma parte do mesmo sob a forma de subprodutos; nem todo o nitrognio est sob a forma disponvel para os microrganismos; nem toda a matria orgnica biodegradvel. Por isso, uma srie de relaes C:N podem ser encontradas na literatura, indicando como sendo a ideal para sustentar o crescimento dos microrganismos sem limitaes nutricionais. Na realidade, estas relaes so obtidas na prtica, referindo-se para aqueles casos em particular. Deve-se ter cuidado na extrapolao destas quando estuda-se um caso especfico. Relao carbono:nitrognio (C:N) 2:1 30:1 Relao DQO:N:P:S 500:7:1:1 - 1200:7:1:1 Outra questo muito importante com relao do que venha a ser considerado uma substncia txica. Na realidade, qualquer substncia pode ser txica ou nutritiva para um microrganismo, dependendo da sua concentrao no meio. Normalmente, considera-se txica aquela substncia que em baixas concentraes provoca um efeito inibitrio ao microrganismos, e contrariamente, uma substncia nutritiva aquela que necessria em altas concentraes para promover um franco desenvolvimento do mesmo. Alm disso, quando duas ou mais substncias esto em soluo, elas podem ter um efeito sinrgico ou antagnico com relao toxicidade. As Figuras abaixo demonstram estes efeitos.

CINTICA DO CRESCIMENTO CELULAR Quando na presena de um substrato o microrganismo apresenta um crescimento populacional que pode ser dividido em 6 fases distintas, em funo da disponibilidade do mesmo. A Figura abaixo apresenta as curvas caractersticas do cultivo de clulas em batelada.56Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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P Conc. P: produto X: clulas S: substrato X

S

Tempo Log Conc. X

I

II

III

IV

V

VI

Tempo

Fase lag: ajuste dos microrganismos ao meio (sistema enzimtico); I. Fase de acelerao: incio da multiplicao e do aumento de clulas; II. Fase exponencial (ou log): todas as clulas se dividem; III. Fase de retardo: substrato comea a ficar escasso e nem todas as clulas se dividem; IV. Fase estacionria: algumas clulas comeam a morrer. A taxa de morte e crescimento se igualam; V. Fase de declnio: substrato est praticamente ausente. A taxa de morte se torna muito superior de crescimento; Curvas caractersticas do crescimento de um microrganismos em processo de batelada Traando-se as tangentes aos pontos destas curvas obtemos: Velocidade de produo de clulas: Velocidade de consumo de substrtato: Velocidade de formao de produtos:

VX =

dX dt dS dt

VS = VP =

dP dt



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Dividindo-se pelo nmero de clulas e medindo-se esta velocidade no ponto de inflexo da curva, teremos:

Velocidade especfica mxima de produo de clulas: Velocidade especfica mxima de consumo de substrtato: Velocidade especfica mxima de formao de produtos:

=S =

1 dX * X dt1 dS * X dt

P =

1 dP * X dt

Sendo as curvas de consumo de substrato e de formao de clulas, bem como a de formao de produtos, proporcionais, conveniente definir este coeficiente de proporcionalidade como: Fator de converso de substrato em clulas

YX =S

X ( S )

Pode-se tambm definir a grandeza YP/S=P/S, como sendo o fator de converso de substrato para produto. Portanto, X = - YX/S* S Para avaliar o comportamento cintico caracterstico para cada microrganismo, MONOD desenvolveu o seguinte modelo:0,6

Equao de Monod =max *S/(Ks+S)0,5

com max =0,5 h

-1

0,4

(h )

-1

0,3

0,2

Ks=0,1g/L Ks=0,3g/L Ks=1,0g/L

0,1

Ks=2,0g/L

0 0 1 2 3 4 5 6

S (g/L)

Com isto ele pode escrever

= max *

Onde: max= valor mximo de

S Ks + S

Ks=cte. de saturao= valor de S para =max/2



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ASPECTOS BIOQUMICOS DO METABOLISMO Metabolismo so reaes qumicas que ocorrem na clula para produzir energia e para sntese de compostos necessrios vida e ao crescimento. Estas reaes so de oxi-reduo produtoras e consumidoras de energia, onde as substncias doadoras de eltrons vo sendo oxidadas e as receptoras reduzidas. A energia liberada em uma determinada reao armazenada na forma de ligaes qumicas, onde as mais importantes so as ligaes fosfato com a adenosina AMP + P + energia ADP ADP + P + energia ATP Quando necessrio, o microrganismos utiliza a energia armazenada na forma de ATP para realizar reaes que necessitam de energia, como as reaes de sntese celular e para outras funes primrias da clula, como transporte de ons para dentro e fora da clula e mobilidade. O metabolismo pode ser dividido basicamente em catabolismo e anabolismo: Catabolismo so as reaes metablicas que ao final de uma seqncia iro gerar energia para as vrias funes dos microrganismos. Geralmente estas reaes esto associadas degradao dos compostos orgnicos. Anabolismo so as reaes metablicas que ao final de uma seqncia iro gerar um produto para as vrias funes dos microrganismos. Geralmente estas reaes esto associadas sntese dos compostos orgnicos necessrios ao crescimento. Nas reaes de sntese energia requerida. As reaes anablicas s podero ocorrer se energia suficiente foi gerada nas reaes catablicas. A Figura abaixo apresenta um fluxograma esquemtico da energia gerada e utilizada pelos microrganismos.

Esquematizao da troca de energia entre reaes catablicas e anablicas

Como exemplo re reaes catablicas apresenta-se na figura abaixo a seqncia de reaes realizadas no processo de transformao da glicose em um intermedirio muito importante para reaes anablicas posteriores. A este processo especfico d-se o nome de gliclise.59Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Gliclise

Observa-se que nesta transformao, 1 mol de glicose gera 2 moles de piruvato, com a produo de moles de ATP e mais 2 moles de NADH2. As molculas de NADH2 no prov energia qumica diretamente para o anabolismo. Apenas o ATP pode faz-lo. Portanto, h uma transformao da energia contida no NADH2 para o ADP, transformando-os em ATP, que denominada de cadeia transportadora de eltrons, conforme a esquematizao apresentada abaixo.



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Observa-se que cada mol de NADH2 produz 3 moles de ATP. Portanto, a gliclise produz uma energia total equivalente a 8 ATPs. Conforme mencionado anteriormente, a composio qumica do meio um fator determinante na seleo da predominncia das populaes envolvidas nos processos de tratamento dos resduos. Tambm visto anteriormente, os microrganismos so classificados segundo as formas de obteno de matria (carbono) e de energia. Devido ao grande nmero de compostos passveis de serem metabolizado pelos microrganismos e devido s suas especificidades, normalmente, classifica-se os microrganismos em funo do composto que capaz de metabolizar ou dos produtos metablicos gerados. Uma das grandes divises de classes de microrganismos d-se em funo do tipo de aceptor final de eltrons utilizado pelo mesmo nas reaes de obteno de energia, que por sua vez, denomina os processos de tratamento. Processos aerbios (respirao aerbia): so aqueles que utilizam o oxignio como aceptor final de eletrons; Processos anaerbios: - Porcessos fermentativos: so aqueles que utilizam compostos orgnicos que participam do processo, como aceptores finais de eltrons (aceptores internos). - Processos anxicos (respirao anaerbia): so aqueles que utilizam outros compostos, orgnicos ou inorgnicos, como aceptores finais de eltrons, que no o oxignio ou nenhum composto orgnico que participam do processo (aceptores externos: CO32-, NO3-, Fe3+, SO42-).

PROCESSOS ANAERBIOS FERMENTAO Aceptores finais internos de eltrons

Hidrlise

Glicose8 ATPs PROCESSOS AERBIOS 30 ATPs

Piruvato6 ATPs

Produtos de fermentao(lactato, lcoois, cidos, etc.)

RESPIRAO ANAERBIA

Ciclode Crebes

CO32-, NO3Fe3+, SO42-

CH4 N2 Fe2+ S2-

CO2

O2

Aceptores finais externos de eltrons

RESPIRAO AERBIA

Como pode ser observado, nos processos aerbios so gerados 38 ATPs por cada mol de glicose degradado, enquanto que no anaerbios esta gerao de energia muito inferior,61Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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podendo gerar at mesmo menos de 1 ATP por mol de glicose. Alm disso, nem toda a energia contida em 1 mol de glicose armazenada na forma de ATP, ficando grande parte da mesma dissipada no ambiente. Respirao aerbia: 38 ATPs/mol x 7 kcal/mol ATP = 266 kcal Glicose Glicose 6 CO2 + 6 H2O Etanol (H = 688 kcal/mol) 266/688 = 39 % (H = 57 kcal/mol) 14/57 = 25 % Fermentao: 2 ATPs/mol x 7 kcal/mol ATP = 14 kcal Este fato demonstra a capacidade de microrganismos aerbios de extrair uma maior quantidade de energia de um substrato comparativamente com os anaerbios. Este fato tem uma implicao direta na partio da quantidade de substrato que vai para gerao de energia e a que vai para a sntese de novas clulas. Processos aerbios geram de 5 a 20 vezes mais material celular a partir de uma quantidade determinada de substrato do que os processos anaerbios. Esta diferena em termos energticos est relacionada termodinmica das reaes envolvidas. A Figura abaixo apresenta um grfico das relaes entre doadores de eltrons (substratos) e de aceptores de eltrons com a energia gerada pelas reaes metablicas.Doadores de eltrons Formiato Glicose Glicerol Metanol Piruvato Glicina Lactato Etanol Succinato Benzoato Acetato SO42Aceptores de eltrons NO3NO2-

CO2

O2

0 30

-5 35

-10

-15

-20

-25

-

Esta maior capacidade de extrao de energia do substrato dos processos aerbios implica em um desenvolvimento mais acelerado de uma populao de microrganismos, porm, no implica em que sejam maiores a velocidade especfica de converso de substrato em produto. Na realidade, em geral, os microrganismos anaerbios degradam um substrato 2 vezes mais rpido do que os aerbios. importante lembrar que os argumentos termodinmicos no podem ser usados em todos os casos para prever ou explicar determinadas ocorrncias nestes sistemas. Os fatores ambientais so de fundamental importncia. Nas Tabelas a seguir esto apresentados alguns parmetros cinticos tpicos dos processos anaerbio e aerbio, onde podemos observar numericamente os comentrios feitos acima.62Prof. Hugo Moreira Soares Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Eng. Qumica e Eng. de Alimentos


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Sumrio de valores de constantes cinticas para vrios substratos utilizados em processos anaerbios mesoflicosSubstrato Processo k(gDQO/gSSVd)

KS(mgDQO/L)

max(d-1)

YX/S(gSSV/gDQO)

b(d-1)

Carbohidratos cidos de cadeia longa cidos de cadeia curta Acetato H2 e CO2

Acidognese Oxidao anaerbia Oxidao anaerbia Metanognese acetoclstica Metanognese

1,33 70,6 0,77 6,67 6,2 17,1 2,6 11,6 1,92 - 90

22,5 630 105 3180 12 500 11 421 4,8x10-5 0,6

7,2 30 0,085 0,55 0,13 1,20 0,08 0,7 0,05 4,07

0,14 0,17 0,04 -0,11 0,025 0,047 0,01 0,054 0,017 0,045

6,1 0,01 0,015 0,01 0,027 0,004 0,037 0,088

Sumrio de valores de constantes cinticas para vrios substratos utilizados em processos aerbios mesoflicosValores coeficiente k KSYX/S b

unidaded-1 mgDBO/L mgDQO/L gSSV/gDQO d-1

faixa

tpico

2 - 10 25 - 100 15 - 70 0,4 0,8 0,025 0,075

5 60 40 0,6 0,06

Nestas Tabelas importante verificar as diferenas entre os fatores de converso de substrato em clulas (Y), que mesmo no sendo nas mesmas unidades podem dar uma idia da ordem de grandeza. Os microrganismos aerbios aproveitam em torno de 60 % da matria orgnica para produzir novas clulas, enquanto que os anaerbios acidognicos aproveitam em mdia 15 % e os metanognicos 3 %. No entanto, em termos de velocidade de converso de substrat

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