Pós-graduação lato-sensu em Saneamento e Meio Ambiente Disciplina: Qualidade das águas e tratamento de esgotos – fundamentos básicos 14/04/2007 Prof. Luís Fernando Rossi Léo

Qualidade das águas e tratamento de esgotos – fundamentos básicos Revisão Química Usos da água Parâmetros e requisitos de qualidade das águas Poluição das águas Caracterização dos esgotos domésticos Níveis, processos e sistemas de tratamento de esgotos domésticos Fundamentos do tratamento biológico de esgotos domésticos

Revisão Química CÁTIONS Exemplos de íons de interesse nos estudos de controle da qualidade de águas: CÁTIONS • FERRO: Fe+2 (íon ferroso), Fe+3 (íon férrico) • MANGANÊS: Mn+2 (íon Manganoso), Mn+4 (íon mangânico) • METAIS ALCALINOS: Na+ (sódio), K+ (potássio) • METAIS ALCALINO-TERROSOS: Ca+2 (cálcio), Mg+2 (magnésio) • METAIS PESADOS: Cr+6 (cromo hexavalente), Cr+3 (cromo trivalente), Zn+2 (zinco),Pb+2 (chumbo), Cd+2 (cádmio), Hg+2 (íon mercúrico), Ba+2 (bário), Cu+2 (cobre), Ni+2 (níquel), Sn+2 (estanho), Al+3 (alumínio).

Revisão Química ÂNIONS: Exemplos de íons de interesse nos estudos de controle da qualidade de águas: ÂNIONS: • MONOVALENTES: NO3- (nitrato), F- (fluoreto), Cl- (cloreto), OCl- (hipoclorito) , MnO4-1 (permanganato) • BIVALENTES: CO3-2 (carbonato), SO4-2 (sulfato), S-2 (sulfeto), CrO4-2 (cromato),Cr2O7-2 (dicromato) • TRIVALENTE: PO4-3 (fosfato)

Revisão Química Funções químicas Chama-se função química a um conjunto de compostos que possuem propriedades químicas semelhantes. Na química inorgânica existem as seguintesprincipais funções químicas: ácidos, bases, sais e óxidos. Segundo Arrhenius, ácido é toda espécie química (molécula ou íon) que cede prótons (íons H+) em uma reação química, qualquer que seja o meio. ÁCIDO + BASE → SAL + ÁGUA Exemplos: HCl + NaOH → NaCl + H2O H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O

Revisão Química Funções químicas Oxidação e Redução A oxidação consiste, essencialmente, no aumento do número de oxidação ou perda de elétrons, e redução significa redução no número de oxidação ou ganho de elétrons. Por tratar-se de um problema de transferência de elétrons, sempre que um elemento é oxidado, um outro é reduzido. Não há oxidação sem redução. A substância que contém o elemento que é oxidado é chamada agente redutor, uma vez que é responsável pela redução do outro elemento. De forma inversa, uma substância que causa aumento de valência é chamada agente oxidante e contém o elemento que é reduzido.

Reações CO2 + H2O+ Luz C6H12O6 C6H12O6 + O2 CO2 + H2O + energia

Revisão Química Funções químicas Oxidação e Redução Exemplo: Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O Nox: 0 6 2 6 4 Elemento oxidado: Cu Elemento reduzido: S Agente oxidante: H2SO4 Agente redutor: Cu Aplicações: - Tratamento de esgotos - Análises laboratoriais

Revisão Química

Revisão Química Mistura de soluções O princípio básico da mistura é que a quantidade de soluto da solução final é igual à soma das quantidades de soluto das soluções iniciais. Expressando-se a quantidade do soluto em massa, por exemplo, pode ser escrito que: índices A e B: soluções iniciais índice M: solução final (mistura) C: concentração em mg/L ou g/L

Revisão Química Mistura de soluções Generalizando-se para a mistura de n soluções de mesmo soluto, temos: EXERCÍCIO: Um córrego poluído de vazão igual a 5 L/s, DBO igual a 50 mg/L e concentração de oxigênio dissolvido igual a 2 mg/L, descarrega suas águas em rio de vazão igual a 45 L/s, DBO igual a 5 mg/L e oxigênio dissolvido igual a 6,5 mg/L. Supondo-se que a 50m a jusante a mistura já tenha sido completada, quais as características das águas do rio nesse ponto?

Variáveis Indicadoras da Qualidade das Águas As variáveis indicadoras da qualidade da água são necessárias pois: Ela em capacidade de dissolver as substâncias com as quais entra em contato; Para cada uso específico da água, é necessário que esta atenda a determinados requisitos de qualidade. Assim sendo forma definidos uma série de indicadores para definir a sua qualidade.

Indicadores Físicos Cor  característica resultante da presença de substâncias dissolvidas na água, na maioria dos casos orgânicas; Turbidez  refere-se a capacidade de desviar os raios luminosos, que é devida à presença de material em suspensão na água, partículas finamente divididas, colóides ou organismo microscópicos; Sabor e Odor  são associados à presença de poluentes industriais ou outras substâncias indesejáveis.

Indicadores Químicos São resultantes da presença de substâncias químicas dissolvidas, que só podem ser quantificadas por métodos analíticos específicos; Dentre os principais parâmetros considerados para a qualidade da água destacam-se: Salinidade, dureza, alcalinidade, corrosividade, compostos orgânicos e inorgânicos e Radioatividade.

Indicadores Biológicos Referem-se aos organismos que podem ser encontrados na água, sejam os naturalmente encontrados, ou aqueles introduzidos; Dentre os organismos que podem ser encontrados na água destacam-se: Algas  tem papel fundamental no equilíbrio do meio aquático, mas também podem trazer problemas; Microrganismos patogênicos  introduzidos na água juntamente com material fecal.

A Água para o Desenvolvimento das Atividades Humanas Abastecimento Humano; Uso Industrial; Irrigação; Aqüicultura; Geração de Energia Elétrica; Transporte; Recreação e paisagismo; Preservação da Fauna e Flora; Assimilação e transporte de poluentes.

Abastecimento Humano É o uso que apresenta prioridade sobre os demais; A água deve apresentar padrões de qualidade que garantam a proteção da saúde e o bem estar dos consumidores (Deve ser potável); Os padrões de qualidade são estabelecidos em norma (Portaria MS n° 518, de 2004); Cada pessoa necessita, em média, 2,5 L de água por dia, para as atividades metabólicas; A média de consumo de água para uso doméstico no estado de São Paulo é de aproximadamente 280 L/d.hab;

Padrões de Qualidade da Água para Consumo Humano Parâmetros Microbiológicos Parâmetros Físicos Parâmetros Químicos Escherichia Coli Ausente Turbidez < 1 uT Nitrato < 10 mg/L Coliformes Totais Ausentes Cor < 15 uH Fluoreto < 1,5 mg/L Bactéria Heterotróficas 500 UFC Odor Não Objetável Trihalo-metanos < 0,1 mg/L Cloro Residual 0,2 mg/L Sabor Mercúrio < 0,001 mg/L

Uso Industrial Na indústria a água pode ser utilizada como: Matéria-prima  a mesma é incorporada ao produto final; Indústria de alimentos, bebidas e farmacêutica; Produto auxiliar  participa no processo de produção mas não é incorporada ao produto final; Preparação de reagentes, operações de aquecimento e resfriamento, lavagem de peças e equipamentos e fluído de transporte. Os padrões de qualidade variam de acordo com a aplicação. O consumo de água para uso industrial em São Paulo é de aproximadamente 330.000 m3/h

Padrões de Qualidade de Água para Uso Industrial Indústria Eletrônica Indústria Farmacêutica * Sílica 5 mg/L pH 5 - 7 Sódio 0,5 mg/L Condutividade < 1,3 mS/cm Cloreto 1,0 mg/L COT 500 ppb Resistividade 18 x 106 Ohm.cm Bactérias < 100 UFC * Água para uso geral e algumas formulações

Irrigação Depois do uso para fins potáveis é o mais antigo e importante uso da água; O objetivo da irrigação é o de melhorar a produtividade agrícola; O volume de água consumido para a irrigação é função da cultura que se deseja irrigar; Os padrões de qualidade devem garantir o desenvolvimento das culturas e a saúde dos agricultores e consumidores; Em São Paulo o consumo de água para a irrigação é de, aproximadamente, 575.252 m3/h;

Padrões de Qualidade da Água para Irrigação Parâmetros Microbiológicos Parâmetros Químicos Culturas Ingeridas Cruas Ovos de Helmintos < 1 /100 mL Salinidade < 2 g/L (< 0,5 g/L irrestrito) (0,5 a 1 g/L restrito) (> 1,0 g/L plantas tolerantes) Coliformes Fecais < 1000/100 mL Cereais e Culturas Industriais pH 6~8 Não há padrão recomendado Fluoreto 1 mg/L

Distribuição do Consumo de Água no Brasil Fonte: A evolução da gestão dos Recursos Hídricos no Brasil. ANA, março de 2002

Enquadramento ou Classificação dos Corpos D’Água Em função das variáveis de controle da qualidade da água, a mesma é enquadrada em categorias distintas, as quais definem os usos preponderantes da mesma; O enquadramento dos corpos d’água é feito por meio de normas;

Enquadramento ou Classificação dos Corpos D’Água No Brasil, os corpos d’água são classificados por norma federal ou estaduais, dependendo do domínio sobre o corpo d’água; Caso existam normas estaduais de classificação, estas deverão ser, no mínimo, equivalentes à norma federal.

Norma Federal para Classificação dos Corpos d’água A principal norma Nacional para Classificação dos corpos d’água é a Resolução CONAMA n° 357, de 17/03/2005 (Revisão da CONAMA 20, de 1986); Na Resolução CONAMA n° 357, as águas do território nacional são divididas em 13 classes distintas: Classe especial, classes 1, 2, 3 e 4, para águas doces, cuja concentração de sais dissolvidos é de até 0,5 g/L; Classe especial, classes 1, 2 e 3 para águas salinas, cuja concentração de sais é superior a 30 g/L; Classe especial, classes 1, 2 e 3 para águas salobras, cuja concentração de sais está entre 0,5 e 30 g/L;

Classe Usos Preponderantes Resolução CONAMA 357 – Classes de Enquadramento de Águas Doces Classe Usos Preponderantes Especial Abastecimento doméstico ou com simples desinfecção; Preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas. Preservação dos ambientes aquáticos em unidades de conservação de proteção integral. 1 Abastecimento doméstico após tratamento simplificado; Proteção de comunidades aquáticas; Recreação de contato primário (Res. CONAMA nº 274,de 2000) Irrigação de hortaliças e de frutas que se desenvolvem rentes ao solo; Proteção das comunidades aquáticas em Terras Indígenas 2 Abastecimento doméstico após tratamento convencional; Proteção das comunidades aquáticas; Irrigação de hortaliças, plantas frutíferas e de parques, jardins, campos de esporte e lazer, com os quais o público possa vir a ter contato direto; e Aqüicultura e à atividade de pesca.

Classe Usos Preponderantes Resolução CONAMA 357 – Classes de Enquadramento de Águas Doces Classe Usos Preponderantes 3 Abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional ou avançado; Irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras; Pesca amadora; Recreação de contato secundário; e Dessedentação de animais. 4 Navegação; Harmonia paisagística;

Norma Estadual para Classificação dos Corpos d´água No Estado de São Paulo a Classificação dos corpos d’água é feita pelo Decreto n° 8.468, de 08/09/1976; Neste decreto as águas doces de domínio do Estado são classificadas em quatro classes distintas; Esta classificação também é feita com base nos usos preponderantes.

Classe Principais Usos Classe 1 Águas destinadas ao abastecimento doméstico sem tratamento prévio ou com simples desinfecção. Classe 2 Águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento convencional, à irrigação de hortaliças ou plantas frutíferas e à recreação de contato primário (natação, esqui aquático, e mergulho. Classe 3 Águas destinadas ao abastecimento doméstico após tratamento convencional, à preservação de peixes em geral e de outros elementos da fauna e da flora e à dessedentação de animais. Classe 4 Águas destinadas ao abastecimento doméstico após o tratamento avançado, ou à navegação comercial, à harmonia paisagística, ao abastecimento industrial, à irrigação e a usos menos exigentes.

Qualidade de Água A água dos mananciais superficiais e demais córregos, rios, lagos, etc, é avaliada no Estado de São Paulo pela CETESB através do Índice de Qualidade da Água (IQA). O IQA é calculado através de uma média harmônica de um conjunto de indicadores específicos. Os indicadores são obtidos através de análises laboratoriais. Para cada indicador, através de gráficos, são determinados valores de parâmetro entre 0 e 100.

Qualidade de Água – Mananciais O cálculo é feito pela fórmula: Onde: IQA = índice de qualidade da água qi = valor de parâmetro wi = peso atribuido a cada parâmetro N = número de parãmetros avaliados

EXERCÍCIO Calcule o IQA de uma amostra de água que apresentou os seguintes resultados quando analisada em laboratório: - Coli Fecal = 103 / 100 mL - pH = 6 - Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) = 7 mg/L - Nitrogênio total = 20 mg/L - Fosfato total = 3 mg/L - Temperatura = 5 graus de afastamento - Turbidez = 20 UFT - Resíduo total = 250 mg/L - Oxigênio dissolvido (OD) = 90 % do OD de saturação

Definição de poluição “ é uma alteração indesejável nas características físicas, químicas ou biológicas da atmosfera, litosfera ou hidrosfera, que cause ou possa causar prejuízo à saúde, à sobrevivência ou às atividades dos seres humanos e outras espécies ou ainda deteriorar materiais. O conceito de poluição deve estar associado às atividades humanas e suas intervenções no ambiente”

O Processo de Poluição das Águas A poluição das águas é resultado da associação entre os seguintes fatores: Usos múltiplos; Capacidade de dissolver as substâncias com as quais entra em contato; Ausência ou ineficácia de sistemas de tratamento de esgotos e efluentes; Lançamento indevido ou deliberado de poluentes nos corpos d’água.

Exemplo de Poluição Pontual

Estação de tratamento de esgoto lança os efluentes tratados para os corpos d’água

Exemplo de Fonte Fixa de Poluição

Exemplos de Poluição Difusa dos Corpos D’água

Derramamento de Petróleo no Alaska (Exxon Valdez)

Evolução dos Problemas de Poluição das Águas As primeiras preocupações com a poluição das águas estavam diretamente associados aos esgotos domésticos; Juntamente com o desenvolvimento industrial outros problemas passaram a ser verificados: Nutrientes; Metais pesados; Micropoluentes orgânicos.

Substâncias Químicas que Apresentam Risco à Saúde Inorgânicas Orgânicas Antimônio 0,005 mg/L Acrilamida 0,5 mg/L Arsênio 0,01 mg/L Benzeno 5 mg/L Bário 0,7 mg/L Benzo[a]pireno Cádmio Cloreto de Vinila Cianeto 0,07 mg/L 1,2 Dicloroetano 10 mg/L Chumbo 1,1 Dicloroeteno 30 mg/L Cobre 2 mg/L Diclorometano 20 mg/L Cromo 0,05 mg/L Estireno Fluoreto 1,5 mg/L Tetracloreto de Carbono Mercúrio 0,001 mg/L Tetracloroeteno 40 mg/L Nitrato (N) Triclorobenzenos Nitrito (N) 1 mg/L Tricloroeteno 70 mg/L Selênio

Características dos esgotos domésticos

Principais Poluentes e seus Efeitos Agentes Infecciosos: Referem-se aos organismos patogênicos capazes de provocar doenças; Estes organismos atingem os corpos d’água por meio dos esgotos, ou então, águas de drenagem; Os agentes infecciosos incluem: Vírus, bactérias e protozoários. A contaminação do Homem pode se dar de duas maneiras distintas: Ingestão ou uso de água contaminada; Transmissão por vetores.

Doenças Provocadas por Organismos Patogênicos Tipo de Organismo Sintomas e Comentários Cólera Bactéria Vômitos, diarréia e desidratação. Pode levar à morte se não tratada. Contaminação primária de origem aquática e secundária através de contato com alimentos e moscas Febre Tifóide Vômitos severos, diarréia, inflamação intestinal e aumento do baço. Pode ser fatal se não tratada. Transmitida pela água ou alimentos contaminados. Hepatite Infecciosa Vírus Amarelamento da pele, aumento do fígado, vômitos e dores abdominais. Freqüentemente, causa danos permanentes ao fígado. Transmitida através da água e alimentos.

Esquistossomose

Principais Poluentes e seus Efeitos Substâncias Consumidoras de Oxigênio: São compostos orgânicos biodegradáveis que atingem os corpos d’água, principalmente pelo lançamento de esgotos domésticos; Havendo oxigênio dissolvido no corpo receptor as bactérias aeróbias irão degradar a matéria orgânica; Se a quantidade de matéria orgânica exigir uma demanda de oxigênio maior que a capacidade de reposição haverá o esgotamento do oxigênio; Como resultado da redução do oxigênio ocorrerá a morte dos organismos aquáticos que dependem do mesmo; Neste caso o sistema pode se tornar anaeróbio, resultando na liberação de gases como metano e sulfídrico, este responsável pelo odor desagradável.

Principais Poluentes e seus Efeitos Nutrientes: Nutrientes são os compostos utilizados no processo de crescimento das plantas terrestres e aquáticas; Os nutrientes que despertam maior interesse são o nitrogênio e, principalmente, o fósforo; No meio aquático eles conduzem à proliferação das plantas aquáticas (eutrofização); A eutrofização pode comprometer o uso da água para consumo, recreação, pesca, etc.; Com o aumento da biomassa no sistema aquático pode ocorrer a redução da concentração de oxigênio dissolvido.

Processo de Eutrofização de uma Lagoa

Tratamento dos Esgotos Domésticos No caso dos esgotos domésticos são considerados como principais poluentes as substâncias consumidoras de oxigênio e os nutrientes; O processo de tratamento baseia-se no processo natural de autodepuração dos corpos d’água; A presença de detritos e materiais flutuantes implica na utilização de processos preliminares, visando a remoção dos mesmos.

Etapas do Tratamento de Esgotos Tratamento preliminar: Visa a remoção de sólidos grosseiros e demais substâncias que podem danificar ou comprometer a operação dos componentes da estação; Gradeamento; Caixa de areia; Separador de óleos e graxas.

Etapas do Tratamento de Esgotos Tratamento Primário: Processos físicos para separação de partículas em suspensão e processos utilizados para tratamento e condicionamento do lodo gerado; Decantação  remove partículas por meio da sedimentação das mesmas; Flotação: partículas menos densas que a água ou com baixa velocidade de sedimentação são removidas na superfície do líquido; Geralmente utiliza-se ar dissolvido para acelerar o processo de separação. Digestão e secagem do lodo.

Etapas do Tratamento de Esgotos Tratamento Secundário: É utilizado para degradar a matéria orgânica presente nos esgotos; Reatores Anaeróbios; Filtração Biológica; Lodos ativados; Lagoas aeradas; Valos de oxidação; Lagoas de estabilização.

Etapas do Tratamento de Esgotos Tratamento Avançado ou Terciário: São utilizados para a remoção de contaminantes que não são afetados pelos sistemas anteriores; Remoção de nutrientes; Remoção de compostos orgânicos complexos e outros contaminantes;

Eficiência dos Processos de Tratamento Unidade de Tratamento Eficiência de Remoção (%) DBO SS Bactérias Coliformes Grade de Crivos Finos 5 – 10 5 – 20 10 – 20 --x-- Cloração de Esgoto Bruto ou Decantado 15 – 30 90 – 95 Decantadores 25 – 40 40 – 70 25 – 75 40 – 60 Filtros Biológicos 65 – 90 65 – 92 70 – 90 80 - 90 Lodos Ativados 75 – 95 85 – 95 90 – 98 Cloração de Efluentes Biológicos 98 – 99 100 Lagoas de Estabilização 90 99 Fonte: Jordão, E.P.; Pessoa, C.A., Tratamento de Esgotos Domésticos. 3° edição, ABES. 1995.

Fundamentos do tratamento biológico de esgotos Novas Bactérias Respiração CO2 + H2O + Res. ñ Biodeg. N + P Síntese Endógena Bactérias + MOB Respiração Produtos Finais da Respiração Metabolismo Bacteriano = Anabolismo (Síntese) + Catabolismo (Resp.) Aeróbio = presença de Oxigênio Livre Anóxico = presença de Oxigênio disponível na forma de NO3- Anaeróbio = ausência de Oxigênio nas formas anteriores

Energia no processo aeróbio 2/3 Grande geração de lodo = Síntese Energia Respiração 1/3 MOB + O2 → CO2 + H2O +... + 3,3 Kcal/gDQO

Energia no processo anaeróbio Pequena geração de lodo = Síntese Energia Respiração 95% ou mais MOB → CH4 + CO2 + H2S +... + 0,3 Kcal/gDQO

Energia livre liberada e transferência de elétrons Substância Kcal/mol Kcal/gDQO Nº Elétrons Ácido Oxálico 82 5,13 1 Ácido Fórmico 68 4,29 2 Glicose 686 3,57 4 Ácido Lático 326 3,39 Glicerina 387 3,45 4 2/3 Fenol 723 3,22 Etileno Glicol 281 3,51 5 Benzeno 761 3,17 Ácido Palmítico 2338 3,18 5 3/4 Ciclohexano 901 3,12 6 Etanol 312 3,25 Metanol 165 3,44 Metano 191 2,98 8

Composição química das bactérias Bactéria = C H O N P S + Ca + Mg + ... 10 a 12 % 2,5 % N e P = fatores limitantes de crescimento bacteriano Demais elementos = quase sempre suficientes Relação DBO:N:P = 100:5:1 – equilíbrio p/ crescimento

FIM Prof. Luís Fernando Rossi Léo leo@linsnet.br luis.leo@poli.usp.br (14) 3533 3210 – UNILINS (14) 9621 1787