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Aplicação de osmose reversa e processos oxidativos avançados para tratamento terciário de esgoto



Autora: Elisa Kerber Schoenell.


Resumo


Pesquisas com tecnologias avançadas para o tratamento de esgotos sanitários têm sido necessárias para remover ou degradar poluentes orgânicos emergentes (POE). Esta tese de doutorado visou investigar a aplicação de Osmose Reversa (OR) e Processos Oxidativos Avançados (POA) para tratamento de esgoto. Os estudos ocorreram no Brasil – Universidade Feevale e na Alemanha – ISWA/Universidade de Stuttgart. O esgoto utilizado no Brasil foi coletado após tratamento convencional biológico e o esgoto utilizando na Alemanha foi coletado após tratamento convencional biológico e filtração por micro peneira (20 µm). O equipamento de OR aplicado no tratamento de esgoto foi equipado com uma membrana de poliamida Modelo BW 30-4040, com 7,2 m² de área. O sistema de OR foi operado em modo de recirculação total nas seguintes pressões de trabalho: 6, 8, 10 e 12 bar. Foram analisadas diferentes recuperações de permeado e respectivos fatores de concentração do esgoto. A vazão do concentrado para todos os ensaios foi de 0,17 L.s-1 . O concentrado gerado na OR foi tratado por POA: Ozônio em pH 10 (O3) – 86 mg.L-1 ; Eletro-Oxidação (EO) – reator com 10 eletrodos de Ti/(70%)TiO2 (30%)RuO2 com área de exposição de 15.480 cm² e aplicação de 30 A; Eletro-Oxidação (30 A) e Ozônio (86 mg.L-1 ) em pH 10 (EO/O3). Todos os POA trataram 45 L do concentrado durante 20 horas. Os POA aplicados no esgoto sanitário após tratamento biológico e micro peneira foram: Ozônio (O3) – 3 mg.L-1 ; Ozônio/UV-A LED – 0.78 W/m² (O3/UV); Ozônio/UV-A/Peróxido de Hidrogênio – 20 mgH2O2.L-1 (O3/UV/H2O2). O reator tratou 56 L de esgoto por 2 horas. Foram analisados POE por HPLC – acoplado a um Espectrômetro de Massa (LC/MS/MS). Os resultados mostraram uma recuperação de permeado na OR de 75%. Esse sistema alcançou altas taxas de remoção (acima de 90%) para parâmetros físico-químicos, removeu 9 compostos orgânicos dos 20 compostos detectados no esgoto, além do permeado atender a legislação e a parâmetros para reuso industrial em torres de resfriamento, na pressão de trabalho de 6 bar. Os POA aplicados no concentrado gerado na OR que utilizaram EO obtiveram maiores porcentagens de remoção de nutrientes (EO: 100% de nitrogênio amoniacal e total, 58% de nitrato; EO/O3: 57% de fósforo). A combinação EO/O3 foi a que melhor degradou e/ou removeu compostos orgânicos, visto que 37 dos 51 compostos detectados no concentrado da OR não foram detectados após EO/O3, além de ter sido o POA com menor geração de compostos intermediários (9). Na aplicação dos POA como tratamento do esgoto sanitário tratado biologicamente e por micro peneira, as maiores eficiências de remoção dos POE analisados quantitativamente foram obtidas com O3/UV/H2O2 (para candesartana, irbesartana, 1H-benzotriazol, hidroclorotiazida, metilbenzotriazols e metoprolol) e O3 (para diclofenaco, carbamazepina e sulfametoxazol). Uma redução na concentração de todos os POE analisados quantitativamente foi observada em todos os ensaios, variando de 19% a 93,3%. Portanto, as combinações de POA geraram os melhores resultados nas condições desta tese, tanto para tratamento do concentrado de esgoto gerado na OR (EO/O3) como para tratamento terciário final de esgoto (O3/UV/H2O2).


Introdução


Os esgotos sanitários possuem diversos poluentes, organismos patogênicos, matéria orgânica, nutrientes, e outros compostos que deveriam ser removidos ou degradados antes de serem lançados em recursos hídricos.


Os poluentes orgânicos emergentes incluem fármacos, pesticidas, produtos para cuidados pessoais, surfactantes, esteroides e hormônios, retardadores de chamas e plastificantes, e também estão presentes no esgoto sanitário. A detecção desses poluentes em recursos hídricos em todo o mundo tem levantando preocupações referentes à saúde humana e ambiental, considerando o crescente consumo mundial dessas substâncias (AQUINO, BRANDT e CHERNICHARO, 2013; LUO et al, 2014; BRACK et al, 2015; HAMZA, IORHEMEN e TAY, 2016; GABARRÓN et al., 2016).


Em alguns países, como Suíça e Alemanha, esforços políticos estão em progresso visando à elaboração de estratégias de redução de descarte de poluentes emergentes em corpos d‟água (BMUB/UBA, 2017; GÖTZ et al., 2011). Em muitos países, como o Brasil, não há legislação e/ou recomendação específica que mencione a remoção de poluentes emergentes em estações de tratamento de esgoto e/ou efluentes (STARLING et al., 2018), o que não diminui a necessidade de investigações dos efeitos desses poluentes, bem como de processos de remoção e/ou degradação dos mesmos.


Uma vez que poluentes emergentes têm sido detectados em águas superficiais, as fontes de poluição desses poluentes, como o esgoto sanitário, devem ser estudadas para um tratamento adequado antes de serem dispostos no meio ambiente. Porém, os tratamentos convencionais de esgotos sanitários, como físico-químico seguido ou não de processo biológico, não têm sido eficientes para completa degradação e/ou remoção dos poluentes emergentes, principalmente por não terem sido projetados para essa finalidade (JELIC et al., 2011; AQUINO, BRANDT e CHERNICHARO, 2013; POSTIGO e RICHARDSON, 2014; RIBEIRO et al., 2015; SILVA et al., 2015; HAMZA, IORHEMEN e TAY, 2016; TOKUMURA et al., 2016; RICHARDSON e KIMURA, 2017; ALBERGAMO et al., 2019; RAMIREZ, 2019; RIZZO et al., 2019; ABTAHI et al, 2019), o que reforça a necessidade de melhorar ou substituir os processos de tratamento de efluentes convencionais (AROLA et al., 2017).


Portanto, o uso de tecnologias avançadas para o tratamento de esgoto tornou-se urgente e necessário, como é o caso de Processos de Separação por Membranas (PSM) e Processos Oxidativos Avançados (POA).


Entre os PSM que utilizam a pressão como força motriz para separação dos poluentes, a Osmose Reversa (RO) é considerada como a de maior potencial de retenção de contaminantes presentes na alimentação e pode reter todos os materiais solúveis ou suspensos, sendo indicada para remoção de matéria orgânica e compostos orgânicos (poluentes emergentes) em efluentes (GARUD, KORE e KULKARNI, 2011; GONZÁLEZ, URTIGA e ORTIZ, 2012; ZHANG et al., 2012; CHEME-AYALA et al., 2013; METCALF & EDDY, 2013; SHENVI et al., 2015; HAMZA, IORHEMEN e TAY, 2016). O aumento da recuperação do permeado na OR e a possibilidade de reuso industrial e na agricultura vêm sendo estudados ao longo dos anos. Porém, além do permeado, a OR gera um concentrado.

Diversos autores relatam a problemática e a necessidade de tratamento do concentrado gerado em processos de membranas, pois ele concentra diversos poluentes, como sais inorgânicos e poluentes orgânicos emergentes, e por isso não deveria ser lançado em cursos d‟água sem tratamento prévio (OREN et al., 2010; GHYSELBRECHT et al., 2012; PÉREZGONZÁLEZ, URTIAGA e ORTIZ, 2012; ZHANG et al., 2012; JIN et al, 2013; GREENLEE, FREEMAN e LAWLER, 2014; PRANEETH et al., 2014; WALKER, KIM e LAWER, 2014; MAMO et al, 2018; MAENG et al, 2018; AZERRAD et al., 2019). A descarga direta do concentrado de OR é reconhecida como uma prática com impactos adversos sobre o meio ambiente. Por isso, a busca por opções de gestão ambientalmente corretas do concentrado é um desafio tecnológico mundial (PÉREZ-GONZÁLEZ, URTIAGA e ORTIZ, 2012).


Assim, os Processos Oxidativos Avançados surgem como uma alternativa para o tratamento do concentrado. Esses processos têm sido combinados com tecnologias de membrana para aumentar a eficiência de remoção e degradação de compostos orgânicos (RIBEIRO et al., 2015).


Os POA envolvem a geração de radicais hidroxila (OH•), o qual é o segundo agente oxidante reativo mais forte, com potencial redox (E°) de 2,8 (METCALF & EDDY, 2013; HAYNES, 2013; AMETA e AMETA, 2018), e é capaz de promover a degradação de inúmeros poluentes, incluindo os emergentes (TRAM et al., 2013; OTURAN e AARON, 2014; RICHARDSON e KIMURA, 2017; AMETA e AMETA, 2018). Especificamente, os radicais OH• produzidos são conhecidos pela oxidação rápida e não seletiva de contaminantes orgânicos da água (MIKLOS et al., 2018a).


Os radicais livres formados nos POA atacam o composto orgânico levando à sua oxidação completa (mineralização), produzindo CO2, H2O e íons inorgânicos, ou pode resultar em uma oxidação parcial, quando geralmente ocorre um aumento da biodegradabilidade dos compostos (COMNINELLIS, 1994; COMNINELLIS e CHEN, 2010; MORAVIA, LANGE e AMARAL, 2011; SILVA et al., 2015; AMETA e AMETA, 2018).


Diversos estudos (COMNINELLIS e CHEN, 2010; BELTRÁN, AGUINACO e GARCÍA-ARAYA, 2012; REAL et al., 2012; IBÁÑEZ et al., 2013; GARCIA-SEGURA et al., 2015; MARTÍNEZ-HUITLE et al., 2015; BORIKAR, MOHSENI e JASIM, 2015; YANG et al., 2017; MOREIRA et al., 2017; GARCIA-SEGURA e BRILLAS, 2017; RADHA e SIRISHA, 2018; RIZZO, 2019) indicam o uso de POA para remoção de poluentes emergentes em efluentes, incluindo esgotos sanitários, permitindo uma degradação e/ou mineralização completa dos compostos orgânicos, ocasionando uma melhora efetiva na qualidade de efluentes municipais. Metcaf & Eddy (2013) indicam que a combinação de oxidantes em POA pode ser mais eficiente do que qualquer agente individual, além de proporcionarem um aprimoramento da taxa de degradação de contaminantes orgânicos (OH, DONG e LIM, 2016).


Assim, os POA surgem tanto como uma alternativa para tratamento final de esgotos já tratados por sistemas convencionais, como para tratamento do concentrado de OR gerado após tratamento de esgoto sanitário.


Portanto esta tese investigou a aplicação de OR e POA no tratamento terciário do esgoto, e de POA no tratamento do concentrado da OR ao tratar esgoto, verificando a remoção de poluentes emergentes e a possibilidade de reuso industrial, visando assim diminuir a poluição dos recursos hídricos e o volume de captação de água na indústria, possibilitando uma melhora na qualidade e quantidade dos recursos hídricos


Esta tese está dividida em 8 capítulos, sendo abordado inicialmente uma revisão bibliográfica sobre esgotos sanitários e poluentes emergentes, bem como opções de tecnologias avançadas para tratamento terciário de esgoto e remoção desses poluentes. Após, são descritos os objetivos da tese e a metodologia empregada para alcançá-los. Então, os resultados alcançados são apresentados e discutidos e as conclusões da tese são apresentadas na sequência. Por fim, são listadas as referências utilizadas na tese e os anexos.


Clique aqui e leia na íntegra.


Fonte: Portal Tratamento de Água

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