Saneamento Ambiental I. Aulas 24 Tratamento de Esgotos parte I

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aulas 24 Tratamento de Esgotos parte I Profª Heloise G. Knapik 1

2 Tratamento de Esgotos PRINCÍPIOS FÍSICOS, QUÍMICOS E BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO TIPOS DE SISTEMAS PARA TRATAMENTO DE ESGOTOS FOSSA SÉPTICA TRATAMENTO PRELIMINAR TRATAMENTO PRIMÁRIO TRATAMENTO SECUNDÁRIO TRATAMENTO TERCIÁRIO TRATAMENTO DA FASE SÓLIDA - LODO

3 PRINCÍPIOS FÍSICOS, QUÍMICOS E BIOLÓGICOS DO TRATAMENTO 3

4 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS FÍSICOS DE REMOÇÃO Sedimentação: operação física de separação de partículas sólidas com densidade superior à do líquido circundante Ação da força da gravidade Formação do lodo, resultando no efluente clarificado

5 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS FÍSICOS DE REMOÇÃO Principais aplicações: Tratamento preliminar: remoção de areia (sedimentação de partículas inorgânicas de maiores dimensões) caixa de areia Tratamento primário: decantação primária (sedimentação dos sólidos em suspensão no esgoto bruto) - tanques convencionais com remoção frequente do lodo, fossas sépticas

6 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS FÍSICOS DE REMOÇÃO Principais aplicações: Tratamento secundário: decantação final (remoção dos sólidos biológicos) decantadores secundários nos sistemas de lodos ativados, decantadores finais nos sistemas de filtros biológicos, decantadores finais nos sistemas de reatores anaeróbios de manta de lodo, lagoas de sedimentação, após lagoas aeradas de mistura completa Tratamento físico-químico: sedimentação após precipitação química polimento de efluentes de tratamento secundário, remoção química de nutrientes, tratamento físico-químico (coagulação química) de despejos domésticos e, principalmente, industriais

7 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento TIPOS DE SEDIMENTAÇÃO Sedimentação Discreta: as partículas sedimentam-se, mantendo a sua identidade (não se aglutinam). Preserva-se as propriedades físicas como forma, tamanho e densidade Exemplo de aplicação: Caixa de areia t=0 t=1 t=2

8 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento TIPOS DE SEDIMENTAÇÃO Sedimentação Floculenta: As partículas se aglomeram a medida que se sedimentam. Alteram-se as características com o aumento e formação dos flocos. t=0 t=1 t=2 Exemplo de aplicação: Decantadores primários, parte superior dos decantadores secundários, flocos químicos no tratamento físico-químico

9 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento TIPOS DE SEDIMENTAÇÃO Sedimentação Zonal: quando há grande concentração de sólidos, pode-se formar uma massa única de partículas que se sedimentam em zonas ou blocos. Exemplo de aplicação: Decantadores secundários t=0 t=1 t=2

10 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento TIPOS DE SEDIMENTAÇÃO Sedimentação por Compressão: quando há grande concentração de sólidos. Ocorre devido ao próprio peso das partículas sendo constantemente adicionadas. t=0 t=1 t=2 Exemplo de aplicação: Fundo de decantadores secundários, adensadores por gravidade

11 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS QUÍMICOS DE REMOÇÃO Remoção ou estabilização dos esgotos sanitários via reações químicas Processo aditivo em conjunto com os processos físicos e biológicos de tratamento de esgotos Objetivo de aumentar a eficiência ou acelerar os processos envolvidos

12 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS QUÍMICOS DE REMOÇÃO Processo Precipitação química Adsorção Desinfecção Aplicação Remoção de fósforo (adição de cálcio, alumínio ou ferro) e aumento da eficiência de remoção de sólidos suspensos (coagulação) Remoção de organismos (adição de carbono ativado) Remoção de organismos patogênicos com uso de cloro, bromo, ozônio, luz ultravioleta.

13 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Oxidação da matéria orgânica carbonácea e, eventualmente, da matéria orgânica nitrogenada Oxidação da matéria orgânica carbonácea: constitui-se no principal objetivo de todos os processos de tratamento de esgotos a nível secundário Oxidação da matéria orgânica nitrogenada: nitrificação (lodos ativados)

14 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Matéria orgânica carbonácea: Inerte solúvel ou insolúvel: não sofre decomposição Biodegradável rapidamente ou lentamente biodegradável

15 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Matéria orgânica nitrogenada: Inorgânica amônia (livre ou inonizada) já na coleta e interceptação tem início as reações de hidrólise e amonificação Orgânica inerte, biodegradável, solúvel e particulada

16 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Progressão temporal da oxidação da matéria orgânica (aeróbia):

17 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Progressão temporal da oxidação da matéria orgânica (aeróbia): Etapa inicial: predominância da síntese (anabolismo) A MO é utilizada pelos microrganismos para suas atividades de crescimento e obtenção de energia resulta no consumo de OD e aumento da população Etapa subsequente: predominância da respiração endógena Quando remove-se a MO, há abundância de microrganismos e escassez de substrato a fonte de alimento passa a ser o próprio protoplasma celular (mecanismos de auto-oxidação)

18 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Progressão temporal do crescimento bacteriano:

19 Princípios físicos, químicos e biológicos de tratamento PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DE REMOÇÃO Progressão temporal do crescimento bacteriano: Fase de retardo Período de adaptação enzimática das bactérias ao novo substrato Fase de crescimento exponencial As células adaptadas se dividem a uma taxa constante devido a um excesso de substrato no meio Fase estacionária O alimento principia a ficar escasso no meio. Taxa de crescimento bacteriano é igual à taxa de mortandade. Fase de declínio ou mortandade Diminui a disponibilidade de substrato respiração endógena (utilizam seu próprio protoplasma como fonte de substrato)

20 Oxidação (perdeu elétrons) Agende oxidante Redução (ganhou elétrons) Característica Catabolismo oxidativo (Respiração) Catabolismo fermentativo (fermentação) Doador de elétrons Matéria orgânica Matéria orgânica oxidada Aceptor de elétrons Número de produtos finais resultantes da matéria orgânica Forma do carbono no produto final Estado de oxidação do carbono no produto final Externo: composto inorgânico (oxigênio, nitrato ou sulfato) Interno: matéria orgânica reduzida Um (CO 2 ) No mínimo dois (CO 2 e CH 4 ) Carbono inorgânico oxidado (CO 2 ) 4+ (CO 2 ) Carbono inorgânico oxidado (CO 2 ) e carbono orgânico reduzido (CH 4 ) 4+ (CO 2 ) 4- (CH 4 )

21 Principais rotas de decomposição: H2O CO2 Com O2 Respiração/ oxidação da MO O2 Aeróbio Sem Anóxico Matéria Orgânica: CxHyOz O2 NO - 3 Com NO - 3 N2 Desnitrificação CO2 Sem NO - 3 Anaeróbio SO -2 4 H2S CO2 Redução de Sulfatos CO2 CH4 CO2 Metanogênese

22 Aceptores de elétrons nas reações de oxidação em tratamento de esgotos Condições Aceptor de elétrons Forma do aceptor após a reação Aeróbias Oxigênio (O 2 ) H 2 O Processo Metabolismo aeróbio Anóxicas Nitrato (NO 3- ) Sulfato (SO 2-4 ) Anaeróbias Dióxido de carbono (CO 2 ) Nitrogênio gasoso (N 2 ) Sulfeto (H 2 S) Metano (CH 4 ) Redução de nitratos (desnitrificação) Redução de sulfatos (dessulfatação) Metanogênese

23 Principais rotas de decomposição:

24 Nitrogênio e tratamento de esgotos o Processos convencionais: Não removem adequadamente (rota mais energética envolve a remoção carbonácea) Parte do nitrogênio é removido com o lodo rico para estudos de compostagem quando livre de patógenos A nitrificação ocorre comumente no sistema de lodos ativados por aeração prolongada mas não remove o nitrogênio (apenas conversão a outra forma) Para completa remoção: desnitrificação retorno do Nitrogênio para a atmosfera na forma de N2

25 Nitrogênio e tratamento de esgotos o Ocorrendo desnitrificação: Há uma economia de oxigênio (estabilização da matéria orgânica na ausência de oxigênio dissolvido) Ocorre o consumo de H+, gerando uma economia de alcalinidade e no aumento da capacidade tampão do meio Prejudica a sedimentação (nos decantadores secundários em sistemas de lodos ativados) gás N2 Necessidade de unidades específicas para essa remoção do nitrogênio tratamento terciário

26 Nitrogênio como indicador de poluição Nitrogênio orgânico: faz parte das moléculas de proteínas (vegetais ou animais). A sua presença nas águas é característico de poluição recente por esgoto bruto. Nitrogênio amoniacal: é aquele que já sofreu decomposição pelos microrganismos heterotróficos. Também é característico de poluição relativamente recente (não foi completamente oxidado). Nitrito: forma intermediária, de curta duração após a oxidação da amônia (NH3) pelas bactérias nitrossomonas. Nitrato: forma oxidada a partir dos nitritos pelas bactérias (nitrobacter). É característico de poluição mais antiga.

27 TIPOS DE SISTEMAS PARA TRATAMENTO DE ESGOTOS 27

28 Tipos de Tratamento Sistemas simples ou individuais: Fossas sépticas Sistemas coletivos: Estações de Tratamento de Esgotos Processos Físicos Processos Químicos Processos Biológicos

29 Tipos de Tratamento Tratamento preliminar (sólidos em suspensão grosseiros) Tratamento primário (sólidos em suspensão sedimentáveis e parte da matéria orgânica) Tratamento secundário (remoção de carga orgânica e eventualmente nutrientes) Tratamento terciário (remoção de carga de nutrientes e poluentes específicos metais pesados, tóxicos) Tratamento e disposição final do lodo Processos Físicos Processos Químicos Processos Biológicos

30 Tipos de Tratamento Escolha dos processos depende de uma série de fatores, tais como: Abrangência do tratamento (isolado ou coletivo) Eficiência de remoção requerida (função de padrões de lançamento, corpo receptor, enquadramento, reuso, etc) Área disponível Geração e disposição final de resíduos Mão de obra para operação e respectiva qualificação Monitoramento e controles operacionais requeridos Recursos disponíveis Viabilidade técnica, econômica e ambiental

31 FOSSA SÉPTICA 31

32 Tipos de Tratamento Casos mais simples ou isolados: Fossa séptica - Sistemas individuais (residências ou condomínios isolados) - Função: permitir a sedimentação, armazenamento e digestão anaeróbia do lodo - Geração de gás CH 4, CO 2 e pequenas quantidades de H 2 S - Efluente poderá ser lançado em sumidouros, valas de infiltração, valas de filtração, filtros anaeróbios e fluxo ascendente e em corpos d água receptores. - Diferentes configurações: câmara única, múltiplas câmaras, com diferentes alternativas construtivas e de configurações finais do destino do efluente.

33 Fossa Séptica

34 Fossa Séptica

35 Fossa Séptica

36 Fossa Séptica Eficiência de tratamento Para fossas sépticas bem construídas, com manutenção e operação adequadas: Parâmetro % de remoção DBO 40 a 60% DQO 30 a 60% Sólidos suspensos 50 a 70% Óleos e graxas 70 a 90%

37 Fossa Séptica Dimensionamento de fossa séptica Volume total: somatório dos volumes de sedimentação, digestão e armazenamento de lodo V = N(C. T d + k. L f ) V= volume útil (L) N = número de contribuintes C = contribuição de despejos (L/hab.dia) T d = tempo de detenção (dia) k = taxa de acumulação de lodo digerido (dia) L f = contribuição de lodo fresco (L/hab.dia)

38 Fossa Séptica

39 Fossa Séptica

40 Fossa Séptica Disposição e/ou tratamento final do efluente da FS Taxa de infiltração do esgoto no solo (permeabilidade do solo) Disponibilidade de espaço Inclinação do terreno Profundidade do lençol freático Natureza e profundidade do leito rochoso Variação do fluxo de esgoto Distância das águas superficiais e poços Usos de águas superficiais a jusante Destino final: Sumidouros Valas de infiltração Corpo d água superficial Pré-Tratamento: Valas de filtração Filtro anaeróbio de fluxo ascendente

41 Fossa Séptica Limpeza e manutenção Recomendação de limpeza anual Mantém-se um residual de lodo (mínimo de 25 L) jcomo inóculo para facilitar a degradação da matéria orgânica Pouco tempo de detenção na FS: principal mecanismo de decomposição é no lodo sedimentado (anaeróbio), e não na fração dissolvida

42 Fossa Séptica Disposição final do efluente (A) SUMIDOURO Quando a taxa de absorção do solo for igual ou superior a 40 L/m².dia Argilas arenosas e/ou siltosas Construídos com fundo aberto e orifícios na lateral (preenchidos com pedra brita) Distância mínima de poços: 20 m Fundo do sumidouro deverá estar no mínimo 3 m acima do lençol freático

43 Fossa Séptica Disposição final do efluente (B) VALAS DE INFILTRAÇÃO Quando a taxa de absorção do solo estiver entre 20 L/m².dia e 40 L/m².dia Argilas pouco siltosas e/ou arenosas Afastadas 7 m de árvores de grandes raízes Distância mínima de poços: 20 m Fundo do sumidouro deverá estar no mínimo 3 m acima do lençol freático Extensão de 6 m por pessoa

44 Fossa Séptica Disposição final do efluente (C) VALAS DE FILTRAÇÃO Quando a taxa de absorção do solo for menor que 20 L/m².dia Rochas, argilas compactadas Filtro biológico Afastadas 7 m de árvores de grandes raízes, distância mínima de poços: 20 m Profundidade na faixa de 1,2 a 1,5 m, largura de 0,5 m e comprimento máximo de 30 m (6 m por pessoa) Remoção de DBO: 80 a 98%

45 Fossa Séptica Disposição final do efluente (D) FILTROS ANAERÓBIOS DE FLUXO ASCENDENTE Tanque com fundo falso, com pedras ou outro material de enchimento Remoção de DBO: 75 a 95% V = 1,60. N. C. T d