Sumário. 1 Introdução ao tratamento de esgotos e à análise de processo 1. 2 Características do esgoto 57

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1 Sumário 1 Introdução ao tratamento de esgotos e à análise de processo Evolução do tratamento de esgotos 4 Objetivos do tratamento 4 Aspectos atuais de saúde e ambientais 5 Considerações sobre sustentabilidade Evolução das regulamentações importantes para a engenharia de esgotos 6 Criação da agência de proteção ambiental 6 Regulações federais importantes 6 Outros regulamentos federais 8 Regulamentos estaduais e regionais Características do esgoto 9 Fontes de esgotos 9 Tipos de sistemas de coleta 9 Constituintes do esgoto Classificação dos métodos de tratamento de esgotos 10 Processos unitários físicos 10 Processos unitários químicos 10 Processos unitários biológicos Aplicação dos métodos de tratamento 12 Processamento do esgoto 12 Processamento de residuais 13 Diagramas de vazão típicos de processos de tratamento Situação do tratamento de esgotos nos Estados Unidos 17 Resultados de levantamentos recentes 17 Tendências Introdução à análise de processo 18 Análise de balanço de massa 19 Aplicação da análise do balanço de massa Reatores utilizados em tratamento de esgoto 21 Tipos de reatores 21 Características hidráulicas de reatores 23 Uso de reatores Modelando reatores com escoamento ideal 25 Escoamento ideal em reatores completamente misturados 26 Reator tubular ideal Introdução à cinética de processo 28 Tipos de reações 28 Taxa de reação 29 Taxa de reação específica 30 Efeitos da temperatura nos coeficientes de taxas de reação 31 Ordem de reação 32 Taxas utilizadas em tratamento de esgoto 33 Análise dos coeficientes de taxa de reação Introdução à modelagem de processos de tratamento 42 Reator batelada com reação 42 Reator completamente misturado com reação 43 Reatores completamente misturados em série com reação 44 Reator tubular ideal com reação 47 Comparação entre reatores completamente misturados e tubulares com reação 48 Reator tubular com dispersão axial e reação 50 Outros regimes de escoamento de reatores e combinação de reatores 51 Problemas e tópicos de discussão 53 2 Características do esgoto Caracterização do esgoto 60 Propriedades e constituintes do esgoto 60 Constituintes de importância no tratamento de esgoto Amostragem e procedimentos analíticos 60 Amostragem 63 Métodos de análise 65 Unidades de expressão para parâmetros físicos e químicos 66 Relações químicas úteis Propriedades físicas 72 Fontes de propriedades físicas 72 Sólidos 73 Tamanho de partículas e medidas de tamanhos de partículas 76 Distribuição de dimensões de partículas 79 Nanopartículas e nanocompósitos 82 Turbidez 83

2 xiv P Sumário Relação entre turbidez e SST 84 Cor 84 Absorção/transmitância 85 Temperatura 86 Conteúdo de energia térmica no esgoto 88 Condutividade 88 Densidade, gravidade específica e peso específico Constituintes orgânicos não metálicos 89 Fontes de constituintes inorgânicos não metálicos 89 ph 90 Cloretos 90 Alcalinidade 91 Nitrogênio 92 Fósforo 95 Enxofre 96 Gases 97 Odores Constituintes metálicos 110 Fontes de constituintes metálicos 110 Importância de metais 110 Amostragem e métodos de análise 110 Limites típicos de descarga de efluentes para metais Constituintes orgânicos agregados 112 Fontes de constituintes orgânicos agregados 113 Medidas do conteúdo orgânico 113 Demanda bioquímica de oxigênio (DBO) 113 Demanda química de oxigênio total e solúvel (DQO e DQOS) 121 Carbono orgânico total e dissolvido (COT e COTD) 121 Constituintes orgânicos que absorvem UV 122 Demanda de oxigênio teórica (DOT) 123 Inter-relações entre DBO, DQO e COT 123 Óleos e graxas 125 Surfactantes 126 Energia química do esgoto e de biossólidos Compostos orgânicos individuais 129 Fontes de compostos orgânicos individuais 129 Poluentes prioritários 130 Compostos orgânicos voláteis (COVs) 130 Subprodutos da desinfecção 130 Pesticidas e produtos químicos agrícolas 131 Compostos traços orgânicos não regulamentados 131 Análise de compostos orgânicos individuais Radionuclídeos no esgoto 134 Fontes de radionuclídeos 134 Unidades de medidas 135 Descrição de isótopos encontrados no esgoto e no lodo 135 Tecnologias de tratamento para a remoção de radionuclídeos Constituintes biológicos 137 Fontes de micro-organismos no esgoto 137 Enumeração e identificação de microorganismos 139 Organismos patogênicos e príons 149 Micro-organismos patogênicos emergentes Toxicidade 158 Fontes de toxicidade 158 Evolução e aplicação dos testes de toxicidade 159 Testes de toxicidade 160 Análise de resultados de testes de toxicidade 160 Aplicação dos resultados de testes de toxicidade 164 Identificação de componentes de toxicidade 165 Problemas e tópicos de discussão Vazões de esgoto e cargas de constituintes Fontes e vazões de esgoto 179 Usos municipais de água 179 Fontes e vazões de esgotos domésticos 180 Estratégias para reduzir o consumo interno de água e as vazões de esgotos 183 Uso de água em outras partes do mundo 188 Fontes e vazões de esgoto industrial (não domésticos) 188 Variações nas vazões de esgotos 189 Variações multianuais de longo prazo associadas à conservação 192 Impacto da conservação de água em planejamento futuro Impacto de sistemas de coleta nas vazões de esgoto 194 Infiltração/influentes 194 Influentes em sistemas de coleta 196 Vazamento em sistemas coletores 197 Vazões de sistemas coletores unitários 199 Medidas diretas de vazões e de características do esgoto em sistemas unitários 199 Cálculo de vazões de sistemas unitários Análise de dados de vazão de esgoto 202 Análise estatística de dados de vazão 202 Elaborando parâmetros de projeto com dados de vazão 205 Variação observada em vazões de influentes Análise de constituintes de esgoto 208 Descargas individuais de constituintes de esgoto 208 Concentrações de constituintes com base nas descargas de massa individuais 210 Aumento de minerais resultante do uso da água 212 Composição do esgoto em sistemas coletores 213 Variações na concentração de constituintes 213

3 Sumário P xv Análise estatística de concentrações de constituintes 218 Variabilidade observada da concentração de constituintes de influentes Análise de dados de carga de massa de constituintes 219 Média simples 219 Médias associadas à vazão 219 Taxas de cargas de massa 222 Efeito da variação da carga de massa no desempenho de estações de tratamento Seleção de vazões e de cargas de massa 225 Vazões de projeto 227 Projetos de taxas de cargas de massa Equalização de vazão e de carga de constituintes 234 Descrição e aplicação da equalização de vazão 235 Considerações sobre projetos 236 Equalização de taxas de cargas de massa de constituintes 245 Vazões de retorno de equalização de lodos e de processamento de biossólidos 246 Problemas e tópicos de discussão Seleção, projeto e implementação de estações de tratamento de esgoto Planejamento para projetar estações de tratamento novas e para melhorar estações existentes 256 Necessidade de aprimorar estações de tratamento existentes 256 Planejando novas estações de tratamento de esgotos 257 Considerações sobre o projeto de processos de tratamento 257 Requisitos do proprietário 261 Considerações ambientais 261 Compatibilidade com instalações existentes 262 Requerimentos de energia e de recursos 262 Considerações sobre custos 263 Outras considerações para projeto Considerações sobre a seleção de processos 265 Fatores importantes na seleção de processos 265 Seleção de processos com base em cinética de reação 265 Seleção de processos com base em transferência de massa 267 Projetos de processos com base no critério de carga 268 Testes de bancada e estudos-piloto em banco de testes 268 Requerimentos para permissão de descarga Confiabilidade do processo de tratamento e seleção de valores de projeto 270 Variabilidade no tratamento de esgoto 270 Seleção de parâmetros de projeto de processos para atender aos limites de descarga permitidos 276 Desempenho de processos combinados Elementos de projeto de processos 280 Período de projeto 281 Diagrama de fluxo de processos de tratamento 281 Critérios de projeto de processos 281 Dimensionamento preliminar 282 Balanço de sólidos 283 Layout da estação de tratamento 283 Sistema hidráulico da estação 284 Gestão da energia Implementação de programas de gestão de esgoto 287 Planejando as instalações 287 Projeto 287 Engenharia de valores 287 Construção 288 Partida e operação das instalações Financiamento 289 Financiamento de dívida municipal de longo prazo 289 Financiamento sem débitos 289 Leasing 290 Privatização 290 Problemas e tópicos de discussão Processos unitários físicos Gradeamento 298 Classificação de grades 299 Quantidades e características de material gradeado 299 Barras grosseiras 301 Grades finas 306 Microgrades 311 Manuseio, processamento e disposição do material gradeado Redução de sólidos grosseiros 313 Fragmentadores 314 Maceradores 314 Trituradores 315 Considerações sobre projetos Mistura e floculação 316 Mistura rápida contínua em tratamento de esgoto 317 Mistura contínua em tratamento de esgoto 317 Dissipação de energia em mistura e floculação 318 Tempo de mistura 320 Tipos de misturadores utilizados para mistura rápida em tratamento de esgoto 320

4 xvi P Sumário Tipos de misturadores utilizados para manter sólidos em suspensão em tratamento de esgoto e em mistura química 323 Tipos de misturadores utilizados para floculação em tratamento de esgoto 327 Tipos de misturadores utilizados para mistura contínua em tratamento de esgoto 330 Novos desenvolvimentos na tecnologia de mistura Teoria da separação por gravidade 332 Descrição 332 Teoria da sedimentação de partículas 334 Sedimentação de partículas discretas 338 Sedimentação de partículas floculentas 340 Sedimentação em placas e tubos inclinados 344 Sedimentação (zona) retardada 347 Sedimentação por compressão 351 Separação por gravidade em um campo de escoamento acelerado Remoção de areia 353 Características da areia de esgoto 353 Separadores de areia para esgoto 358 Separadores de areia para coletores unitários (esgoto e águas pluviais) 366 Lavagem da areia 367 Secagem da areia 368 Disposição da areia 369 Desareamento de sólidos (lodo) Sedimentação primária 369 Descrição 369 Desempenho de decantadores 378 Considerações sobre projetos 380 Características e quantidades de sólidos (lodo) e de escuma Clarificação de alta taxa 385 Floculação de partículas melhorada 385 Análise da floculação de partículas com lastro e sedimentação 385 Aplicação do processo Flotação 390 Descrição 390 Considerações sobre projetos de sistemas de flotação por ar dissolvido Novas abordagens para tratamento primário 395 Micropeneiramento de esgoto bruto 395 Flotação com bolhas carregadas eletricamente 396 Filtração de efluentes primários Transferência de massa gás-líquido 398 Desenvolvimento histórico das teorias de transferência gasosa 399 A teoria de transferência de gases de dois filmes 399 Absorção de gases em condições turbulentas 401 Absorção de gases sob condições quiescentes 403 Desorção (remoção) de gases Sistemas de aeração 406 Transferência de oxigênio 406 Avaliação do fator de correção alfa (a) 408 Tipos de sistemas de aeração 411 Aeração por ar difuso 411 Aeradores mecânicos 423 Requerimentos de energia para mistura em sistemas de aeração 426 Geração e dissolução de oxigênio de alta pureza 427 Pós-aeração 430 Problemas e tópicos de discussão Processos unitários químicos Função dos processos unitários químicos em tratamento de esgoto 444 Aplicações de processos unitários químicos 444 Considerações sobre o uso de processos unitários químicos Fundamentos da coagulação química 446 Definições básicas 447 Natureza das partículas do esgoto 447 Desenvolvimento e medidas de cargas superficiais 448 Interações partícula-partícula 450 Desestabilização e agregação de partículas com polieletrólitos 452 Desestabilização de partículas e remoção com íons de metal hidrolizados Precipitação química para melhoria do desempenho de estações de tratamento 459 Reações químicas em aplicações de precipitação de esgoto 459 Tratamento primário quimicamente assistido (TPQA) 462 Tratamento físico-químico independente 463 Estimativa das quantidades de lodo de precipitação química Remoção química de fósforo 466 Produtos químicos utilizados para a remoção de fósforo 466 Remoção de fósforo de correntes líquidas com sais de metais 471 Remoção de fósforo de correntes líquidas com cálcio 474 Estratégias para remoção química de fósforo do esgoto 475

5 Sumário P xvii 6 5 Formação química de estruvita por remoção de amônia e fósforo 477 Química da formação de estruvita 477 Medidas de controle e/ou de mitigação da formação de estruvita 480 Formação melhorada de estruvita para a remoção de nutrientes Precipitação química para a remoção de metais pesados e de substâncias dissolvidas 482 Reações de precipitação 482 Co-precipitação com fósforo Oxidação química convencional 484 Aplicações para oxidação química convencional 485 Oxidantes utilizados em processos de oxidação química 485 Fundamentos da oxidação química 486 Oxidação química de constituintes orgânicos 492 Oxidação química da amônia 492 Limitações do processo de oxidação química Oxidação avançada 493 Aplicações da oxidação avançada 494 Processos de oxidação avançados 496 Considerações básicas sobre processos de oxidação avançados 501 Limitações do processo de oxidação avançado Fotólise 504 Aplicações de fotólise 505 Processos de fotólise 505 Considerações sobre processos de fotólise 506 Limitações do processo de fotólise Neutralização química, controle da incrustação e estabilização 511 Ajuste de ph 512 Análise do potencial de incrustação 513 Controle da incrustação 518 Estabilização Armazenamento de produtos químicos, dosagem, tubulações e sistemas de controle 518 Armazenamento e manuseio de produtos químicos 519 Sistemas de alimentação a seco de produtos químicos 519 Sistemas de alimentação líquida 521 Sistemas de alimentação a gás 524 Mistura química inicial 524 Problemas e tópicos de discussão Fundamentos do tratamento biológico Revisão do tratamento biológico de esgoto 537 Objetivos do tratamento biológico 537 A função dos micro-organismos em tratamento de esgoto 537 Tipos de processos biológicos para tratamento de esgoto Composição e classificação de microorganismos 543 Componentes de células 543 Composição da célula 545 Fatores ambientais 546 Classificação e identificação de microorganismos 546 Uso de ferramentas moleculares Introdução ao metabolismo microbiano 552 Fontes de carbono e de energia para crescimento microbiano 552 Requerimentos de nutrientes e de fator de crescimento Crescimento bacteriano, energética e decaimento 554 Reprodução bacteriana 554 Padrões de crescimento bacteriano em um reator batelada 555 Crescimento bacteriano e síntese de biomassa (yield) 555 Medindo o crescimento da biomassa 556 Estimando a síntese de biomassa (yield) e requerimentos de oxigênio por estequiometria 556 Estimando a síntese de biomassa (yield) com bioenergética 559 Estequiometria de reações biológicas 566 Síntese de biomassa (yield) para diferentes condições de crescimento 567 Decaimento da biomassa 568 Síntese celular observada e real Cinética do crescimento bacteriano 569 Terminologia da cinética de crescimento bacteriano 569 Taxa de utilização de substratos solúveis 569 Outras expressões de taxas para utilização de substrato solúvel 571 Taxa de produção de substrato solúvel de matéria orgânica particulada biodegradável 571 Taxa líquida de crescimento de biomassa 572 Coeficientes cinéticos para utilização de substrato e crescimento de biomassa 573 Taxa de assimilação de oxigênio 574 Efeitos de temperatura 574 Sólidos suspensos voláteis totais e biomassa ativa 574 Síntese de biomassa (yield) líquida e síntese de biomassa observada Modelando processos de crescimento suspenso 577 Descrição dos processos de tratamento de crescimento suspenso 577 Tempo de retenção de sólidos 577 Balanço de biomassa 578

6 xviii P Sumário Balanço de massa de substrato 580 Concentração de sólidos no liquor misto e produção de sólidos 580 A síntese celular (yield) observada 583 Requerimentos de oxigênio 583 Projeto e parâmetros operacionais 586 Desempenho e estabilidade do processo 587 Modelando reatores tubulares Remoção de substrato em processos de tratamento com crescimento aderido 589 Características do biofilme 589 Caracterização da biomassa 590 Modelos mecanísticos 591 Fluxo de substrato em biofilmes 591 Balanço de substrato no biofilme 592 Limitações do fluxo de substrato Oxidação aeróbia 594 Descrição do processo 594 Microbiologia 595 Problemas operacionais de processo 595 Estequiometria da oxidação biológica aeróbia 596 Cinética de crescimento 597 Fatores ambientais Oxidação biológica de nitrogênio inorgânico 597 Descrição do processo 598 Microbiologia 599 Estequiometria da nitrificação biológica 602 Cinética de nitrificação 603 Cinética de BOA 605 Cinética de BON 606 Fatores ambientais Desnitrificação 610 Descrição do processo 611 Microbiologia 612 Estequiometria da desnitrificação e da desnitritação biológica 613 Requerimentos de substrato orgânico para desnitrificação e para desnitritação 614 Cinética de desnitrificação 616 Fatores ambientais Oxidação anaeróbia de amônia 618 Descrição do processo 619 Microbiologia 619 Estequiometria de Anammox 620 Cinética de crescimento 622 Fatores ambientais Gases do efeito estufa originados de transformações biológicas de nitrogênio 623 Fontes de emissão de óxido nitroso 624 Etapas da produção de óxido nítrico Remoção biológica de fósforo assistida 626 Descrição do processo 626 Processos que ocorrem na zona anaeróbia 628 Processos que ocorrem em zonas aeróbias ou anóxicas de jusante 628 Microbiologia 629 Outras considerações sobre o processo RBFA 630 Estequiometria da remoção biológica de fósforo assistida 630 Cinética de crescimento 632 Fatores ambientais Fermentação anaeróbia e oxidação 633 Descrição do processo 634 Microbiologia 635 Estequiometria da fermentação e da oxidação anaeróbia 636 Cinética do processo 638 Fatores ambientais Remoção biológica de compostos orgânicos tóxicos e recalcitrantes 641 Desenvolvimento de métodos de tratamento biológico 641 Biodegradação aeróbia 643 Perdas abióticas 643 Modelando perdas bióticas e abióticas Remoção biológica de traços de compostos orgânicos 649 Remoção de traços de compostos orgânicos 649 Modelo de destino em regime permanente Remoção biológica de metais pesados 651 Problemas e tópicos de discussão Processos de tratamento com crescimento em suspensão Introdução ao processo de lodos ativados 673 Histórico do desenvolvimento do processo de lodos ativados 673 Descrição do processo básico 673 Evolução do processo convencional de lodo ativado 674 Processos para a remoção de nutrientes Caracterização do efluente 678 Constituintes relevantes para o projeto dos processos de tratamento 678 Métodos utilizados para a caracterização de efluentes 684 Correntes de reciclo e cargas Conceitos básicos para escolha, projeto e controle dos processos de tratamento 689 Considerações gerais sobre a implantação de processos de tratamento de efluentes 689 Fatores relevantes para a escolha e projeto do processo de tratamento 689 Controle do processo 698 Problemas operacionais em sistemas de lodo ativado com clarificadores secundários 704 Problemas operacionais com sistemas MBR 709

7 Sumário P xix 8 4 Tipos de seletores e critérios de projeto 710 Tipos de seletores e critérios de projeto 710 Características de sedimentação ruins, mesmo com o uso de seletores Considerações sobre o projeto de processos de lodo ativado 713 Abordagem de projeto em regime permanente 714 Uso de modelos de simulação 716 Modelo de matriz, componentes e reações 718 Aplicações de outros modelos de simulação Processos para remoção de DBO e nitrificação 723 Revisão dos processos de remoção de DBO e nitrificação 723 Aspectos gerais sobre o projeto do processo 725 Projeto de processo de lodo ativado completamente misturado 726 Projeto do processo em reator batelada sequencial 742 Projeto do processo de lodo ativado em estágios 753 Processos alternativos para a remoção de DBO e nitrificação Processos para remoção biológica de nitrogênio 769 Desenvolvimento do processo 769 Revisão dos tipos de processos para a remoção biológica de nitrogênio 770 Aspectos gerais sobre o projeto do processo 775 Processos de desnitrificação pré-anóxicos 777 Processos de desnitrificação pós-anóxica 805 Processos de nitrificação/desnitrificação com baixa concentração de OD e cíclico 807 Configurações alternativas de processos para a remoção biológica de nitrogênio 812 Desnitrificação com a utilização de uma fonte externa de carbono 823 Controle e desempenho do processo Processos para a remoção biológica de fósforo 836 Desenvolvimento do processo 836 Visão geral do processo de remoção biológica de fósforo 837 Aspectos gerais sobre o projeto dos processos 846 Fatores operacionais associados à remoção biológica de fósforo 854 Projeto do processo de remoção biológica de fósforo 855 Previsão de adição química 855 Controle e otimização do desempenho do processo Do tanque de aeração para os processos de lodo ativado 860 Sistema de aeração 860 Tanque de aeração e acessórios Análise da separação sólido-líquido para processos de lodo ativado com clarificadores 864 Separação de sólidos por clarificadores secundários 865 Avaliação das características de adensamento de lodos 867 Projeto do clarificador com base na análise do fluxo de sólidos 869 Projeto do clarificador com base na análise do ponto de estado Considerações sobre o projeto de clarificadores secundários 882 Tipos de clarificadores secundários 882 Profundidade útil 885 Distribuição de vazão 886 Projeto da alimentação dos clarificadores 886 Localização dos vertedores e taxa de aplicação 888 Remoção e gerenciamento da escuma Separação de sólidos nos reatores com membranas 889 Parâmetros de projeto 889 Propriedades das membranas 890 Projeto e características operacionais da unidade de membranas 892 Utilização de membranas 893 Aspectos relacionados à ocorrência de depósitos nas membranas 894 Problemas e tópicos de discussão Processos biológicos de tratamento com crescimento aderido e combinados Introdução aos processos com crescimento aderido 919 Tipos de processos com crescimento aderido 919 Limitação na transferência de massa nos processos com crescimento aderido Processos com crescimento aderido não submerso 923 Descrição geral do processo 924 Classificação e aplicações dos filtros percoladores 926 Vantagens e desvantagens dos filtros percoladores 930 Principais componentes dos filtros percoladores 930 Considerações sobre o projeto das instalações físicas 934 Considerações sobre o projeto de processos para remoção de DBO 945 Análise do processo para remoção de DBO 949 Análise do processo para nitrificação 956

8 xx P Sumário 9 3 Sistema sequencial combinado com filtro percolador e processos com sólidos em suspensão 965 Desenvolvimento dos sistemas combinados 966 Aplicações dos sistemas combinados 966 Sistema combinado filtro percolador/processo de contato 966 Sistema combinado filtro percolador/processo de lodos ativados 968 Filtro percolador e processo de lodos ativados em série Sistema de lodos ativados e filme fixo integrado 976 Desenvolvimento do sistema 977 Aplicações 979 Vantagens e desvantagens do sistema IFAS 981 Dimensionamento físico das unidades 982 Análise do sistema IFAS 984 Dimensionamento para remoção de DBO e nitrificação Reator com meio suporte móvel (MBBR) 995 Fundamentos 995 Aplicações dos sistemas MBBR 995 Vantagens e desvantagens dos sistemas MBBR 998 Dimensionamento das unidades 998 Análise do projeto de sistemas MBBR 999 Projetos para a remoção de DBO e nitrificação Processos aeróbios com crescimento aderido submerso 1005 Desenvolvimento do processo 1006 Aplicações do processo 1006 Vantagens e desvantagens dos processos 1007 Dimensionamento físico das unidades 1009 Análise do projeto de FBA 1011 Análise do projeto de RBLF Processos de desnitrificação com crescimento aderido 1014 Desenvolvimento do processo 1014 Descrição e aplicação de sistemas com crescimento aderido para desnitrificação 1014 Análise dos sistemas de desnitrificação pós-anóxicos com crescimento aderido 1017 Aspectos operacionais associados ao processo de desnitrificação pós-anóxico com crescimento aderido Sistemas emergentes com biofilme 1025 Reatores de biofilme em membranas 1025 Reatores de biofilme com airlift 1025 Reator aeróbio granular 1026 Problemas e tópicos de discussão Processos anaeróbios de tratamento com crescimento em suspensão e aderido Conceitos sobre os sistemas anaeróbios de tratamento 1039 Vantagens dos processos anaeróbios de tratamento 1039 Desvantagens dos processos anaeróbios de tratamento 1040 Síntese da avaliação Desenvolvimento das tecnologias de tratamento anaeróbio 1041 Desenvolvimento histórico para tratamento de lodos 1041 Estabilização de lodos dos processos biológicos 1043 Tratamento de efluentes com alta carga orgânica 1044 Desenvolvimentos futuros Tecnologias anaeróbias de tratamento 1045 Tipos de processos anaeróbios de tratamento 1045 Aplicação da tecnologia de tratamento anaeróbio Fundamentos sobre a aplicação dos processos anaeróbios de tratamento 1053 Características do efluente a ser tratado 1053 Pré-tratamento do afluente 1058 Estimativa da produção de gás 1061 Produção potencial de energia 1063 Produção de sulfeto 1066 Toxicidade da amônia Considerações sobre o dimensionamento e a implantação de processos anaeróbios de tratamento 1068 Eficiência de tratamento 1069 Parâmetros de projeto 1069 Preocupações associadas à implantação do processo de tratamento Exemplos de dimensionamento e projeto 1073 Reator anaeróbio de fluxo ascendente com manto de lodo 1073 Processo anaeróbio de contato 1081 Utilização de modelos matemáticos Codigestão de dejetos orgânicos e lodos biológicos 1086 Problemas e tópicos de discussão Processos para remoção de contaminantes residuais Razões para o tratamento complementar de efluentes 1097

9 Sumário P xxi 11 2 Tecnologias utilizadas para a remoção de material particulado e dissolvido presente no efluente secundário 1099 Operações unitárias por transferência de massa 1099 Transformações baseadas em processos químicos e biológicos 1099 Aplicação das operações e processos unitários para a remoção de contaminantes residuais Operações unitárias para a remoção de material particulado e dissolvido 1100 Diagramas de processos típicos 1101 Estimativa do desempenho dos processos Introdução à filtração em profundidade 1103 Descrição da operação de filtração 1106 Características hidráulicas dos filtros profundos 1111 Modelagem da operação de filtração Filtração em profundidade: critérios para seleção e dimensionamento 1120 Tecnologias de filtração disponíveis 1121 Desempenho dos diferentes tipos de filtros profundos 1121 Considerações sobre o dimensionamento e a operação de sistemas de filtração 1133 Seleção da tecnologia de filtração 1134 Critérios e parâmetros de projeto para filtros com meio granular Filtração superficial 1148 Tecnologias de filtração superficial disponíveis 1148 Descrição da operação de filtração em superfície 1149 Desempenho dos filtros superficiais 1154 Critérios de projeto 1156 Ensaios em escala-piloto Processos de separação por membranas 1157 Terminologia utilizada nos processos de separação por membranas 1157 Classificação dos processos de separação por membranas 1158 Estrutura de contenção das membranas 1162 Modos de operação para os sistemas pressurizados 1165 Análise dos processos com membranas de MF e UF 1166 Estratégias operacionais para sistemas de MF e UF 1168 Análise do processo de osmose reversa 1169 Ocorrência de depósitos (fouling) 1174 Controle de depósitos 1177 Aplicação e desempenho dos processos de separação por membranas 1180 Osmose direta (forward osmosis): um processo emergente 1187 Estudos em escala-piloto para aplicação dos processos de separação por membranas 1190 Gerenciamento do concentrado Eletrodiálise 1194 Descrição do processo de eletrodiálise 1194 Eletrodiálise reversa 1195 Consumo de energia 1196 Aspectos operacionais 1199 Eletrodiálise osmose reversa Adsorção 1201 Aplicações da adsorção 1201 Tipos de adsorventes 1201 Fundamentos dos processos de adsorção 1204 Obtenção das isotermas de adsorção 1204 Adsorção de múltiplos contaminantes 1209 Capacidade de adsorção 1209 Testes de adsorção em escala reduzida 1217 Análise do processo com carvão ativado em pó em tanques de contato 1220 Sistema de lodos ativados com adição de carvão ativado em pó 1221 Regeneração do carvão 1222 Limitações dos processos de adsorção Extração com gás (gas stripping) 1222 Análise da extração com gás 1223 Dimensionamento de torres de extração 1233 Aplicações do processo de extração Troca iônica 1238 Materiais para troca iônica 1239 Reações típicas das resinas de troca iônica 1239 Capacidade de troca das resinas 1240 Equilíbrio químico no processo de troca iônica 1243 Aplicações do processo de troca iônica 1247 Aspectos operacionais Evaporação 1253 A operação de evaporação 1253 Desempenho dos sistemas de evaporação para recuperação de água 1255 Problemas operacionais 1256 Disposição final do concentrado 1256 Problemas e tópicos de discussão Processos de desinfecção Introdução aos agentes de desinfecção utilizados no tratamento de efluentes 1271 Características de um agente de desinfecção ideal 1271 Agentes e métodos de desinfecção 1271 Mecanismos utilizados para explicar a ação dos agentes de desinfecção 1273 Comparação entre os desinfetantes 1273

10 xxii P Sumário 12 2 Considerações sobre o processo de desinfecção 1274 Instalações físicas utilizadas para a desinfecção 1274 Fatores que afetam o desempenho do processo de desinfecção 1277 Desenvolvimento do conceito de CT para prever o desempenho dos processos de desinfecção 1283 Aplicação do conceito do parâmetro CT para a desinfecção de efluentes 1284 Comparação do desempenho das tecnologias de desinfecção Desinfecção com cloro e seus derivados 1289 Características do cloro e seus derivados 1289 Química do cloro e de derivados 1291 Reações com o cloro até o ponto de quebra 1293 Eficiência do cloro livre e do cloro combinado como desinfetantes 1297 Monitorando e apresentando os dados de desempenho do processo de desinfecção 1299 Fatores que afetam o processo de desinfecção de efluentes com o cloro e seus derivados 1300 Modelagem dos processos de desinfecção com cloro 1303 Dosagens de cloro para o processo de desinfecção 1306 Formação e controle de subprodutos da desinfecção (SPD) 1309 Impactos ambientais da desinfecção com cloro Desinfecção com dióxido de cloro 1313 Características do dióxido de cloro 1313 Química do dióxido de cloro 1314 Eficácia do dióxido de cloro como agente de desinfecção 1314 Modelagem do processo de desinfecção com o dióxido de cloro 1314 Dosagens de dióxido de cloro para a desinfecção 1315 Formação e controle de subprodutos 1315 Impactos ambientais Decloração 1315 Decloração do efluente com dióxido de enxofre 1316 Decloração de efluentes tratados com compostos à base de sódio 1317 Decloração com peróxido de hidrogênio 1318 Decloração com carvão ativado Projeto de unidades de cloração e decloração 1319 Dimensionamento da unidade de cloração 1319 Fluxograma de processo do sistema desinfecção 1320 Controle da dosagem 1323 Injeção e mistura inicial 1325 Projeto da câmara de contato 1325 Avaliação do desempenho hidráulico de câmaras de contato existentes 1335 Controle da vazão de efluente e medida da concentração de cloro residual 1341 Instalações para armazenagem de cloro 1341 Sistema de contenção de vazamentos 1342 Instalações de decloração Desinfecção com ozônio 1343 Propriedades do ozônio 1343 Química do ozônio 1344 Eficácia do ozônio como agente de desinfecção 1345 Modelagem do processo de desinfecção com ozônio 1345 Dosagens de ozônio para a desinfecção 1348 Estimativa do valor de CT 1348 Formação e controle de subprodutos 1350 Impactos ambientais associados à utilização do ozônio 1351 Outros benefícios da utilização de ozônio 1351 Componentes do sistema de desinfecção com ozônio Outros métodos químicos para desinfecção 1354 Ácido peracético 1354 Uso de peroxônio como agente de desinfecção 1356 Cloração sequencial 1356 Processos de desinfecção química combinados Radiação ultravioleta (UV) para desinfecção 1357 Fonte da radiação ultravioleta 1358 Tipos de lâmpadas UV 1359 Configurações dos sistemas de desinfecção com radiação UV 1362 Sistemas de limpeza dos tubos de quartzo 1364 Mecanismos de inativação pela radiação UV 1366 Eficiência germicida da radiação UV 1368 Estimando a dose de radiação UV 1374 Diretrizes para desinfecção com radiação UV 1380 Relações das diretrizes para o projeto de sistemas UV 1380 Validação de um reator UV ou do desempenho do sistema 1381 Fatores que afetam o projeto de sistemas UV 1388 Seleção e dimensionamento de um sistema de desinfecção 1395 Uso de um bioensaio de verificação para validar o desempenho do sistema de desinfecção por radiação UV 1397 Problemas associados ao sistema de desinfecção por radiação UV 1401 Impactos ambientais do processo de desinfecção por radiação UV 1403

11 Sumário P xxiii Desinfecção por pasteurização 1404 Descrição do processo de pasteurização 1404 Cinética da desinfecção térmica 1405 Eficiência germicida da pasteurização 1408 Exigências legais (EUA) 1408 Aplicação da pasteurização para desinfecção 1409 Problemas e tópicos de discussão Processamento e tratamento de lodos Fontes, características e quantidades de lodo 1424 Fontes 1424 Características 1426 Quantidades Legislação para reúso e disposição de lodo nos Estados Unidos 1433 Aplicação no solo 1434 Disposição na superfície 1434 Redução de patógenos e atração de vetores 1434 Incineração Diagramas de processo de unidades de processamento de lodos Bombeamento de lodo e de escuma 1439 Bombas 1439 Cálculo da perda de carga em sistemas de bombeamento de lodo 1447 Tubulação de lodo Preparação do lodo para processamento 1453 Trituração 1454 Peneiramento 1454 Remoção de detritos 1455 Mistura 1455 Armazenagem Adensamento 1459 Aplicações 1459 Descrição e projeto de adensadores de lodo Processos de estabilização de lodos Estabilização alcalina 1471 Reações químicas na estabilização com cal 1471 Geração de calor 1472 Aplicação do processo de estabilização alcalina Digestão anaeróbia 1475 Fundamentos do processo de digestão anaeróbia 1475 Descrição do processo de digestão anaeróbia mesofílica 1477 Projeto do processo para digestão anaeróbia mesofílica 1478 Definição das características do digestor e do sistema de mistura 1484 Métodos para aumentar a carga de lodo e o desempenho do digestor 1492 Produção, coleta e utilização do gás 1492 Aquecimento do digestor 1497 Digestão anaeróbia avançada 1502 Pré-tratamento do lodo para digestão anaeróbia 1505 Codigestão com outros materiais orgânicos Digestão aeróbia 1513 Descrição do processo 1514 Digestão aeróbia convencional com ar 1515 Digestão dupla 1521 Digestão aeróbia termofílica autotérmica (DATA) 1521 Sistemas DATA avançados 1525 Digestão com oxigênio puro 1526 Problemas e tópicos de discussão Processamento de biossólidos, recuperação de recursos e usos benéficos Condicionamento químico 1534 Polímeros 1534 Fatores que afetam o condicionamento de polímeros 1535 Determinação da dosagem de polímero 1535 Mistura 1536 Preparação, condicionamento e alimentação Desaguamento 1537 Descrição das tecnologias de desaguamento 1538 Centrifugação 1541 Prensas desaguadoras 1544 Prensa rotativa 1547 Extrusora 1550 Filtros prensas 1552 Eletrodesaguamento 1555 Leitos de secagem de lodo 1558 Leito de plantas 1561 Lagoas de secagem Secagem térmica 1563 Métodos de transferência de calor 1563 Descrição do processo 1565 Características e uso de produto 1569 Transporte e armazenagem do produto 1570 Risco de incêndios e explosões 1570 Controle da emissão de odores e poluição do ar Processos avançados de oxidação térmica 1572 Conceitos básicos sobre combustão completa 1573 Incinerador de câmaras múltiplas 1576 Incinerador de leito fluidizado 1578

12 xxiv P Sumário Recuperação de energia do processo de oxidação térmica 1580 Coincineração com resíduos sólidos municipais 1581 Controle das emissões atmosféricas Compostagem 1583 Microbiologia do processo 1583 Estágios do processo de compostagem 1584 Etapas do processo de compostagem 1584 Métodos de compostagem 1586 Considerações sobre o projeto 1588 Cocompostagem com resíduos sólidos municipais 1588 Questões de saúde pública e ambientais Transporte e armazenagem de biossólidos 1591 Métodos de transporte 1591 Armazenagem Balanço de massa de sólidos 1592 Preparação do balanço de massa para os sólidos 1593 Dados de desempenho para as unidades de processamento de sólidos 1593 Impacto dos efluentes e da carga de retorno Recuperação de recursos de lodos e biossólidos 1606 Recuperação de nutrientes 1606 Aplicação para uso agrícola 1606 Condicionamento de solos Recuperação de energia de lodos e biossólidos 1607 Recuperação de energia pela digestão anaeróbia 1607 Recuperação de energia por oxidação térmica 1607 Recuperação de energia do material seco por gaseificação e pirólise 1608 Produção de óleo e combustível líquido Aplicação dos biossólidos no solo 1609 Benefícios da aplicação no solo 1609 Normas da U.S. EPA para uso benéfico e disposição final de biossólidos 1610 Práticas de gerenciamento 1610 Avaliação e seleção de locais 1612 Taxas de aplicação de projeto 1613 Métodos de aplicação 1616 Aplicação de biossólidos em áreas dedicadas 1618 Disposição em aterros 1620 Problemas e tópicos de discussão Tratamento das correntes de recirculação e recuperação de nutrientes Identificação e caracterização de correntes de recirculação 1628 Correntes secundárias resultantes de lodos primários e secundários 1629 Correntes secundárias resultantes do lodo primário fermentado ou de lodos primário e secundário digeridos Mitigação das vazões e das cargas de reciclo 1634 Pré-tratamento das correntes secundárias 1634 Equalização de vazões e cargas das correntes secundárias Redução de sólidos em suspensão e material coloidal 1640 Correntes secundárias resultantes do adensamento de lodos 1640 Correntes secundárias do desaguamento de biossólidos 1640 Remoção de material coloidal Processos físico-químicos para a recuperação de fósforo 1642 Descrição do processo de cristalização 1642 Recuperação de fósforo como fosfato de magnésio amoniacal (estruvita) 1645 Recuperação de fósforo como fosfato de cálcio 1650 Recuperação de fósforo das correntes principais de processos Processos físico-químicos para a recuperação e a destruição de amônia 1653 Recuperação de amônia por extração com ar e absorção em solução ácida 1653 Recuperação de amônia por extração com vapor 1657 Extração com ar e destruição termocatalítica de amônia Uso benéfico do fósforo e da amônia recuperados 1660 Fosfato de magnésio amoniacal hexa-hidratado (estruvita) 1660 Fosfato de cálcio (hidroxiapatita) 1661 Sulfato de amônio 1661 Nitrato de amônio Remoção biológica de nitrogênio de correntes secundárias 1662 Processos para a remoção de nitrogênio 1663 Processos de tratamento específicos para a remoção de nitrogênio 1664 Tratamento integrado e aumento da atividade biológica 1665

13 Sumário P xxv 15 8 Processos de nitrificação e desnitrificação 1666 Aspectos fundamentais do processo de nitrificaçãodesnitrificação 1667 Processos de tratamento Processos de nitritação e desnitritação 1672 Aspectos fundamentais sobre os processos 1672 Processos de tratamento Processo de nitritação parcial e oxidação anaeróbia de amônia (deamonificação) 1675 Aspectos básicos do processo 1676 Processos de tratamento Critérios de projeto dos processos biológicos de tratamento 1681 Características da corrente secundária e objetivos do tratamento 1681 Carga de projeto e carga de equalização 1682 Pré-tratamento das correntes secundárias 1683 Volume do reator específico 1683 Sistema de aeração 1686 Tempo de retenção de sólidos e concentração de sólidos em suspensão no licor misto 1687 Demanda de produtos químicos 1687 Temperatura e ph de operação 1688 ph de operação 1689 Balanço de energia para verificar a necessidade de resfriamento do reator 1689 Problemas e tópicos de discussão Emissões atmosféricas das unidades de tratamento de efluentes e seu controle Tipos de emissões Exigências legais 1704 Qualidade do ar ambiente e condições de conformidade 1704 Programas de permissão pré-construção e operação 1706 Exigências tecnológicas para o controle de emissões por fontes estacionárias Controle de odor 1707 Tipos de odores 1707 Fontes de odores 1707 Medida do nível de odor 1710 Modelagem da dispersão de odores 1711 Movimento de odores das unidades de tratamento de efluentes 1711 Estratégias para o gerenciamento de odores 1712 Métodos de tratamento de odores 1716 Seleção e projeto de unidades para controle de odores 1725 Considerações sobre o projeto de lavadores de gases químicos 1725 Considerações sobre o projeto de biofiltros para controle de odor Controle das emissões de compostos orgânicos voláteis 1732 Propriedades físicas de alguns COVs de interesse 1733 Emissões de COVs 1733 Coeficientes de transferência de massa para COVs 1734 Transferência de massa de COV nos processos por aeração superficial ou com ar difuso 1736 Estratégias para controle de COVs 1739 Tratamento dos gases de exaustão Emissões resultantes da combustão de gases e sólidos 1742 Fontes de combustíveis 1742 Sistemas de combustão utilizados em estações de tratamento de efluentes 1743 Emissões de interesse pelos sistemas de combustão 1744 Queima do gás de digestão Emissões de gases de efeito estufa 1749 Estrutura para a redução de gases de efeito estufa 1749 Protocolos de avaliação 1749 Oportunidades para a redução da emissão de GEE em estação de tratamento de efluentes 1755 Problemas e tópicos de discussão Consumo de energia no gerenciamento de efluentes Fatores que levam à necessidade de gerenciamento de energia 1762 Potencial para a redução de custos 1762 Confiabilidade da fonte de energia 1763 Aspectos de sustentabilidade Energia nos efluentes 1763 Energia química 1764 Energia térmica 1767 Energia hidráulica Fundamentos de balanço de energia 1770 Conceito de um balanço de energia 1770 Elaboração de um balanço de energia Uso de energia nas estações de tratamento de efluentes 1772 Tipos de fontes de energia utilizadas em estações de tratamento de efluentes 1773 Uso de energia para o tratamento de efluentes 1773 Uso de energia pelos processos individuais de tratamento 1773 Tecnologias avançadas e novas tecnologias de tratamento de efluentes 1774

14 xxvi P Sumário 17 5 Avaliação do consumo de energia e comparação de desempenhos 1776 Comparação de desempenho do consumo de energia 1777 Protocolo de comparação Recuperação e utilização da energia química 1782 Combustíveis resultantes dos efluentes 1782 Recuperação de energia de combustíveis gasosos em motores e turbinas 1784 Recuperação de energia de combustíveis gasosos em caldeiras 1786 Recuperação de energia de combustíveis sólidos 1788 Recuperação de energia do singás 1795 Recuperação de energia por células de combustível Recuperação e utilização de energia térmica 1797 Fontes de calor 1797 Demandas de calor 1799 Dispositivos para recuperação e utilização de calor residual 1801 Considerações sobre projetos para sistemas de recuperação de energia térmica Recuperação e utilização de energia hidráulica potencial 1809 Tipos de dispositivos utilizados para a recuperação de energia hidráulica potencial 1809 Aplicações de dispositivos para recuperação de energia hidráulica 1811 Uso da carga de pressão residual dos processos de tratamento Gerenciamento de energia 1813 Otimização e modificação de processos para reduzir o consumo de energia 1814 Modificação do processo para aumentar a produção de energia 1820 Gerenciamento da vazão de pico (demanda de energia de pico) 1821 Seleção das fontes de energia Oportunidades futuras para processos alternativos de tratamento de efluentes 1822 Recuperação avançada de energia da matéria orgânica particulada 1822 Redução do consumo de energia no tratamento biológico 1822 Redução do consumo de energia com a utilização de processos alternativos de tratamento 1823 Perspectivas para o futuro 1824 Problemas e tópicos de discussão O futuro do gerenciamento de efluentes: desafios e oportunidades Desafios futuros e oportunidades 1830 Gerenciamento de recursos 1830 Projeto para a recuperação de energia e recursos 1832 Projeto de estações de tratamento de efluentes para o reúso potável 1832 Sistemas descentralizados de tratamento de efluentes 1835 Desenvolvimento de baixo impacto 1837 Linha de base tripla Impacto da demografia, das mudanças climáticas e elevação do nível do mar, de eventos não controláveis e de consequências não intencionais 1839 Impacto da demografia 1839 Impactos das mudanças climáticas e elevação do nível do mar 1841 Impactos de eventos não controláveis 1842 Impacto legal de consequências não intencionais Melhoria do desempenho da estação de tratamento de efluentes por meio da otimização de processos e/ou mudanças operacionais 1845 Otimização de processos 1845 Mudanças nos procedimentos operacionais para melhorar o desempenho das estações de tratamento Melhoria do desempenho da estação de tratamento por meio da modernização dos processos 1852 Modernização das instalações físicas 1853 Modernização para atender aos requisitos para remoção de novos contaminante Gerenciamento das vazões nos períodos de chuva 1858 Questões políticas sobre o extravasamento de efluentes 1858 Diretrizes para o extravasamento de efluentes do sistema de coleta 1859 Opções de gerenciamento da drenagem pluvial 1859 Tópicos de discussão 1864