REVISTA TAE - Remoção de nutrientes, como fósforo e nitrogênio, no tratamento de esgotos

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Remoção de nutrientes, como fósforo e nitrogênio, no tratamento de esgotos

Data:02/04/2014- Fonte:Revista TAE

por Daiana Cheis

 

Investir em saneamento deveria ser uma das prioridades governamentais, pois, além dos benefícios ao próprio Estado, como a saúde da população, há a redução dos recursos destinados a aplicação no tratamento de doenças de veiculação hídrica, causados pelo não saneamento. Geralmente, o esgoto, principalmente, doméstico tem concentrações de nitrogênio e fósforo, além de outros nutrientes, isso ocorre em função da composição do efluente que é basicamente orgânico. “Os esgotos domésticos provêm, principalmente, de residências, edifícios comerciais, instituições ou quaisquer edificações que contenham instalações de banheiros, lavanderias, cozinhas, ou qualquer dispositivo de utilização da água para fins domésticos, tendo características bem definidas. Compõem-se essencialmente da água de banho, urina, fezes, papel, restos de comida, sabão, detergentes e águas de lavagem. No esgoto doméstico bruto, as formas predominantes são o nitrogênio orgânico e a amônia”, exemplifica o Profº especialista em engenharia de controle da poluição ambiental e sanitária, Rodrigo de Freitas Bueno.
Para uma estação de tratamento de águas residuais, por exemplo, há várias etapas na fase do processo até chegar à reutilização da mesma, como:
O tratamento preliminar: que é quando o esgoto é sujeito aos processos de separação dos sólidos mais grosseiros tais como o gradeamento.
Tratamento primário: onde a matéria poluente é separada da água por sedimentação nos sedimentadores primários.
Tratamento secundário: consiste num processo biológico, do tipo lodo ativado ou do tipo filtro biológico, onde a matéria orgânica (poluente) é consumida por microrganismos nos chamados reatores biológicos.
Tratamento terciário: antes do lançamento final no corpo receptor, é necessário proceder à desinfecção das águas residuais tratadas para a remoção dos organismos patogênicos ou, em casos especiais, a remoção de determinados nutrientes, como o nitrogênio (azoto) e o fósforo, que podem potenciar, isoladamente e/ou em conjunto, a eutrofização das águas receptoras.
Remoção de nutrientes: Águas residuárias podem conter altos níveis de nutrientes como nitrogênio e fósforo. A emissão em excesso pode levar ao acúmulo de nutrientes, fenômeno chamado de eutrofização, que encoraja o crescimento excessivo (chamado bloom) de algas e cianobactérias (algas azuis).
Desinfecção: das águas residuais tratadas objetiva a remoção dos organismos patogênicos.

Para que serve a remoção de nutrientes
Destes processos citados, destacamos a remoção de nutrientes, que, como já dito, são microrganismos e plantas aquáticas que se encontram em corpos receptores e se proliferam, resultando na alteração da fauna e flora do corpo receptor.
Apesar de representar um problema de difícil solução, a presença de nutrientes podem significar uma vantagem substancial para o reúso de água, especialmente, em irrigação e piscicultura, pois são insumos necessários para o cultivo de plantas e de animais aquáticos.
“A remoção não é um padrão, mas sim recomendável, principalmente, quando o corpo receptor é um rio ou lagoa”, pontua o coordenador de soluções para tratamento de água da BASF, Gustavo Henrique Fernandes.
O nitrogênio e o fósforo são nutrientes com baixa biodegradabilidade, por isso, é mais difícil ter resultados satisfatórios no tratamento por meio de processos tradicionais.
O aumento da concentração desses nutrientes nos ecossistemas aquáticos têm como conseqüência a transformação de um ambiente oligotrófico em eutrófico.
Portanto, não basta apenas reduzir matéria carbonácea, material em suspensão e patógenos no tratamento de esgotos sanitários, é fundamental, também, a remoção completa, que pode ser físico-químico ou biológicas.
“Em geral, no Brasil, o processo predominante é o biológico, visto que na legislação ambiental vigente há a necessidade de remoção de nitrogênio. Além disso, o processo biológico é mais barato”, explica o Doutor em química pela Escola Politécnica da USP, Helvécio Carvalho de Sena.
As características físicas, químicas e biológicas do efluente industrial são variáveis com o tipo de indústria, período de operação, matéria prima utilizada e com a reutilização de água. Com isso, o efluente líquido pode ser solúvel ou com sólido em suspensão, com ou sem coloração, orgânico ou inorgânico e com temperatura baixa ou elevada. Entre as determinações mais comuns para caracterizar a massa líquida estão as determinações:
Físicas (cor, turbidez e sólidos), Químicas (ph, alcalinidade, teor de matéria orgânica e metais) e Biológicas (bactéria, protozoários e vírus).
Podem ser subdivididos em dois grandes grupos, processos aeróbios e anaeróbios. Tem ampla aplicação nos sistemas de tratamento de efluentes pela sua simplicidade e menor custo operacional. Contudo, a aplicação deste processo pode ter limitações quando os efluentes apresentam em sua composição, poluentes recalcitrantes e/ou poluentes que possam inibir a atividade da biomassa. Por consequência, os sistemas de tratamento não alcançarão os níveis de remoção necessários para atender as exigências e padrões de lançamento de efluentes.
Para o prof. Rodrigo de Freitas Bueno, hoje não se faz mais a comparação que havia antes entre as vantagens do tratamento biológico e o físico-quimico, por exemplo.
“Observou-se uma tendência histórica em se comparar tais modalidades, enfatizando-se vantagens e desvantagens de cada grupo, hoje é consenso o interesse em associá-los, obtendo-se com isso importantes vantagens técnicas e econômicas com diferentes aplicações tanto para o tratamento de esgoto doméstico como para efluentes industriais”, analisa.
O conhecimento da vazão e da composição do efluente industrial possibilita a determinação das cargas de poluição o que é necessário para definir qual o tipo de tratamento aplicar podendo avaliar com maior precisão o enquadramento na legislação ambiental – Conama -. Quantifica-se e caracteriza-se os efluentes para evitar danos ambientais.
O especialista da Basf ressalta que o tipo de processo aplicado no tratamento de esgoto depende diretamente do efluente que será tratado e a finalidade para esse efluente e que há casos que deverá ser aplicado mais de um processo.

Nitrogênio

Pode haver diversas fontes de nitrogênio nas águas naturais, sendo elas: orgânico, amoniacal, nitrito e nitrato. As duas primeiras são chamadas de formas reduzidas e as duas últimas de formas oxidadas. Os compostos de nitrogênio são nutrientes para processos biológicos. São tidos como macro nutrientes, isso porque, depois do carbono, o nitrogênio é o elemento exigido em maior quantidade de células vivas. Quando descarregados nas águas naturais conjuntamente com o fósforo e outros nutrientes presentes nos despejos provocam o enriquecimento do meio tornando-o mais fértil e possibilitam o crescimento em maior extensão dos seres vivos que os utilizam, especialmente as algas, o que é chamado de eutrofização. Quando as descargas de nutrientes são muito fortes, dá-se o florescimento muito intenso de gêneros que predominam em cada situação em particular. Este crescimento exagerado de populações de algas podem trazer prejuízos aos usos que se possam fazer dessas águas, prejudicando seriamente o abastecimento público ou causando poluição por morte e decomposição. O controle da eutrofização, através da redução do aporte de nitrogênio, é comprometido pela multiplicidade de fontes, algumas muito difíceis de serem controladas como a fixação do nitrogênio atmosférico, por parte de alguns gêneros de algas. Por isso, deve-se investir preferencialmente no controle das fontes de fósforo.

Remoção de nitrogênio das águas
Pode ser por meio de processo físico-quimicos e biológicos. Um dos processos físico-quimicos é o arraste com ar. Onde o esgoto, o efluente industrial ou a água natural poluída é inicialmente alcalinizado, adicionando cal hidratada ou soda cáustica. Elevando-se o pH das águas para um valor entre 11 e 12, o íon amônio converte-se quase que totalmente à forma gasosa.
Um processo restrito, porque exige a necessidade de grandes unidades devido às baixas taxas de aplicação, o que resulta em custo elevado.
A remoção, também, pode ser feita pelo processo físico-químico que é empregado a cloração ao “break-point”. Também tem o uso limitado economicamente devido, principalmente, à necessidade de se utilizar elevadas dosagens de cloro. Além disso, outras reações paralelas podem ocorrer, dependendo da composição da água, decorrentes principalmente da ação oxidante do cloro. Segundo o Dr. Helvécio Carvalho de Sena, no Brasil entendeu-se que a remoção do nitrogênio é mais importante que a remoção de fósforo.
A remoção de nitrogênio através do processo biológico de tratamento de esgotos ocorre quase que naturalmente e é denominado como nitrificação e a temperatura média do nosso país favorece este processo, como explica ele: “No tanque de aeração de uma estação de tratamento de esgotos por lodo ativado, existem microrganismos denominados autotróficos e heterotróficos.
Os heterotróficos são responsáveis pela degradação da matéria orgânica com base no carbono e os microrganismos autotróficos são responsáveis pela remoção da matéria nitrogenada. Apesar da remoção ocorrer naturalmente no sistema de tratamento de esgotos, quando se deseja uma nitrificação mais efetiva, há a necessidade de algumas alterações no processo, como a quantidade de lodo que é deixada durante um tempo a mais nos tanques de aeração, isto porque, a quantidade de microrganismos autotróficos é bem menor que os heterotróficos.
Assim, durante o processo de elaboração de projeto, será necessário prever um fator denominado como idade do lodo seja mais elevado e é necessário ainda prever uma quantidade maior de oxigênio para os tanques de aeração que, entre outros fatores, é importante para a remoção do nitrogênio. O processo de nitrificação oxida o nitrogênio na forma de amônia para nitrato”.

Fósforo
Responsável por problemas ambientais, como também a eutrofização de corpos d’água receptores, o fósforo aparece em águas naturais devido, principalmente, às descargas de esgotos sanitários. Alguns efluentes industriais, como os de indústrias de fertilizantes, pesticidas, químicas em geral, etc., apresentam fósforo em quantidades excessivas.
Pode se apresentar nas águas de três formas diferentes: os fosfatos orgânicos, os ortofosfatos e os polifosfatos ou fosfatos condensados. No entanto, a terceira forma não é relevante nos estudos de controle de qualidade das águas, porque os polifosfatos sofrem hidrólise, convertendo-se rapidamente em ortofosfatos nas águas naturais.
Também é chamado de macro nutrientes, pelo mesmo motivo do nitrogênio: ser exigido e grande quantidade pelas células.

Remoção do fósforo
De acordo com o coordenador de soluções para tratamento de água da BASF, Gustavo H. Fernandes, os sistemas de iodo ativado e anaeróbicos são muito usados em tratamento de esgoto. E os processos físico-químicos, de forma geral, não são tão eficientes para remoção de nitrogênio. No entanto, pode ser feita por precipitação química, geralmente, com sais de ferro (ex. cloreto férrico) ou alumínio (ex. sulfato de alumínio).
O lodo químico resultante é difícil de tratar e o uso dos produtos químicos torna-se caro. Apesar disso, a remoção química de fósforo requer equipamentos muito menores que os usados por remoção biológica.
Outra forma de remover o fósforo é a adição de um produto químico cloreto férrico ou sulfato de alumínio, uma vez que, segundo Carvalho de Sena, o processo biológico do fósforo é mais complexo e necessita de sistemas anaeróbios e aeróbios.

Nitrificação e desnitrificação
Nas águas, o processo de oxidação biológica sofrida pela amônia, que é convertida a nitrito (NO2-) por um grupo de bactérias nitrificadoras chamadas Nitrossomonas e, posteriormente, a nitrato (NO3-) por outro grupo conhecido por Nitrobacter, chama-se nitrificação.
“Microrganismos autotróficos como as do gênero Nitrosomonas, responsáveis pela passagem da amônia a nitrito (bactérias que oxidam amônia - BOA), e do gênero Nitrobacter, responsáveis pela conversão de nitrito a nitrato (bactérias que oxidam nitrito - BON), na presença de oxigênio dissolvido (OD) e num intervalo de pH neutro a levemente alcalino, são os principais responsáveis pelo processo de nitrificação”, explica Fábio Campos.
O processo de desnitrificação ocorre em meio anóxico, isto é, na ausência de oxigênio livre, em lodos de fundo de rios e lagos e de unidades de separação de sólidos (decantadores) de estações de tratamento de esgotos. Reatores anaeróbios são projetados com esta função específica, pois a nitrificação (aeróbia) e a desnitrificação (anóxica) levam ao controle efetivo dos problemas que os compostos nitrogenados podem trazer às águas naturais.
“A desnitrificação utiliza, inicialmente, o material orgânico rapidamente biodegradável e, do material lentamente biodegradável, convertendo em CO2 e H2O. Assim, a desnitrificação pode diminuir o consumo de O2 para a remoção de matéria orgânica na fase aeróbia, além de devolver parte da alcalinidade do sistema que poderá ser consumida pelo processo de nitrificação”.
“Há um consenso de que a configuração “c” é a mais eficiente, uma vez que o nitrato formado no Tanque Aeróbio é recalcado numa vazão de 1:1 até 1:4 para o Tanque Anóxico, que o utilizará como aceptor de elétrons, ao consumir a matéria orgânica do afluente, gerando como benefício a redução no consumo de OD e a produção de alcalinidade para a etapa seguinte”, conclui ele.

 


Legislação ambiental
O Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), é o órgão federal responsável pela regulamentação dos padrões de qualidade e lançamento de efluentes nos corpos d’água, e por meio da Resolução n° 357, de 17 de março de 2005, e seu complemento Resolução n° 430, de 13 de maio de 2011, dispõe sobre a classificação dos corpos de água e dá diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes.
Desde a Resolução 357, limita em 20mg/L o padrão de lançamento de nitrogênio amoniacal, contudo, deixando de fora os efluentes gerados em estações de tratamento de esgoto (ETE), repetindo o texto nas resoluções 397/2008 e 430/2011, sob a alegação de que se levando em conta a concentração média do nitrogênio amoniacal presente nos esgotos típicos do Brasil o padrão não poderia ser atingindo devido à implementação em grande parte das ETE’s de processos convencionais de tratamento de esgoto.
“Dessa forma, atualmente no Brasil, os processos de tratamento visam a remoção de compostos orgânicos, não sendo otimizados para a remoção de nutrientes, gerando efluentes finais tratados com elevadas cargas de compostos nitrogenados, os quais são lançados diretamente nos corpos d’água. Entretanto, é inegável salientar que diversas estações de tratamento de esgoto estão buscando adequar seus processos através do emprego de novas tecnologias para remoção de nutrientes”, comenta o especialista da Escola Politécnica da USP, Fábio Campos.
Pela legislação federal em vigor, a resolução N° 20 do CONAMA, o nitrogênio amoniacal é padrão de classificação das águas naturais e padrão de emissão de esgotos. Atender a um padrão de emissão igual a 5 mg/L para a amônia pode ser difícil para muitos sistemas que recorrem aos processos usuais de tratamento biológico, principalmente, para as lagoas facultativas fotossintéticas que, além de não apresentarem elevados graus de nitrificação dos despejos, apresentam efluentes finais com concentrações elevadas de algas, necessitando de processo de remoção, o que pode inviabilizar os seus usos.
Além da amônia, os nitratos são tóxicos, causando uma doença chamada metahemoglobinemia infantil que é letal para crianças. Por isso, o nitrato é padrão de potabilidade, sendo 10 mg/L o valor máximo permitido pela Portaria 36.

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