STUDY OF AIR STRIPING AND AERATION IN EFFLUENT TREATMENT: A REVIEW
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10157401
Soraya Monteiro Alves da Silva1;
Laura Carvalho da Silva2
RESUMO
O consumo de água nas grandes cidades é elevado e a eficiência dos tratamentos de efluentes são importantes para a saúde e bem-estar da população. O tratamento biológico aeróbio é um método de tratamento de efluente na presença de oxigênio e o método Air stripping possui relevância no tratamento físico-químico, possibilitando a remoção de compostos nitrogenados indesejados por meio da transformação gasosa e a eliminação de compostos orgânicos. Dessa forma, este artigo busca estudar estes tratamentos permitindo verificar as vantagens, desvantagens e viabilidades nos tratamentos de efluentes.
Palavras-chave: efluentes, matéria orgânica, aeração, oxigênio, air stripping.
ABSTRACT
Water consumption in large cities is high and the efficiency of effluent treatments is important for the health and well-being of the population. Aerobic biological treatment is a method of treating effluents in the presence of oxygen and the Air stripping method is relevant in physical-chemical treatment, enabling the removal of unwanted nitrogenous compounds through gaseous transformation and the elimination of organic compounds. Therefore, this article seeks to study these treatments, allowing us to verify the advantages, disadvantages and viability of effluent treatments.
Keywords: effluents, organic matter, aeration, oxygen, air stripping.
1. INTRODUÇÃO
A água provém de uma fonte natural crucial para a preservação do meio ambiente e da vida. Em diversos aspectos, ela se configura como um recurso natural vital para a sustentação da natureza, desempenhando um papel fundamental na manutenção da umidade do ar, no abastecimento dos lençóis freáticos e na promoção da vitalidade das plantas em todo o globo. Além disso, a água exerce uma função de destaque na agricultura, nas indústrias, na produção de energia elétrica e na preservação da saúde de todas as formas de vida no planeta (ALESP, 2021).
O tratamento adequado do esgoto urbano é crucial para preservar a saúde e a qualidade de vida da população, reduzindo significativamente as doenças transmitidas pela água (AEGEA, 2022). Técnicas como remoção biológica de nutrientes e biorremediação por microalgas são empregadas para melhorar a qualidade das águas residuárias (PULSCHEN, 2006).
O processo de lagoas de aeração promove o crescimento de uma cultura microbiológica em forma de flocos (lodos ativados) que será alimentado pelo efluente a ser tratado. Neste tanque, a aeração visa fornecer oxigênio aos microrganismos, prevenir a deposição dos flocos bacterianos e misturá-los uniformemente ao efluente. O oxigênio necessário para o crescimento biológico é introduzido por meio de um sistema de aeração mecânica, utilizando ar comprimido, ou pela introdução de oxigênio puro (.
O stripping de amônia é um jeito de tirar a amônia da água. Isso acontece quando a água entra em contato com o ar, e a amônia passa para o ar devido à diferença de pressão. Aumentar a temperatura ajuda nesse processo. Antes desse processo, adiciona-se álcalis na água para mudar o equilíbrio e liberar mais amônia no ar (ROCHA, 2005).
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Importância do tratamento de água e efluentes
O fluxo da quantidade de água na Terra se mantém constante há 500 milhões de anos, sendo que desconsiderando o percentual existente das águas das geleiras dos polos a água doce corresponde apenas 0,6% do total de 97,5% de toda água do planeta. Da quantidade total de água doce 98% são encontradas no subterrâneo e os outros 2% na superfície por rios e lagos (CETESB, 2013).
O ciclo hidrológico consiste no processo de diferentes mudanças de fases em que se dá o início com a transmissão da energia solar sobre as águas do oceano e de outros ambientes, permitindo com que ocorra a evaporação parcial dessas águas. As nuvens de vapores formadas são deslocadas por correntes de ar para diversas regiões com diferentes níveis de pressão atmosférica permitindo assim a condensação (PIROLI, 2022).
De acordo com Brown, et al. (2016) e a CESAN (2020) na proporção que a água condensa e flui pela superfície do solo em direção aos oceanos, rios e lagos é absorvido uma gama variação de cátions (principalmente Na+, K+, Mg2+, Ca2+ e Fe2+), ânions (principalmente Cl–, SO42- e HCO3–), gases (principalmente O2, N2 e CO2) e contaminações que permite que a água se torne um grande veículo de doenças causadas por bactérias, vírus e até mesmo parasitas.
A AmbScience (2020) publicou que os contaminantes originam de diferentes fontes como fertilizantes agrícolas, esgoto industrial, agrotóxicos, compostos orgânicos e sintéticos, petróleo e plásticos, e podem ser classificados como: inorgânicos (os de origem de metais, sais e ácidos), orgânicos (presentes em solventes industriais e óleos), radiológicos (emissores de radiações que chegam nas residências por meio de poços) e microbianos (sendo como principal contaminante a bactéria coliforme fecal).
Para o consumo humano a água doce não pode oferecer risco à saúde, isto é, se faz necessário o tratamento da sua pureza por procedimentos físicos e químicos para que apresente as condições adequadas e a torne potável abstendo de contaminações tóxicas e patogênicas (SANESUL, 2021).
A água potável após ser utilizada apresenta novos elementos que modificam as características e essa é destinada ao esgoto que se não tratada gera grandes impactos ambientais devido às cargas elevadas de substâncias orgânicas e compromete a vida de diversas pessoas expondo-as a uma série de doenças. O art. 3º-B da Lei 11.445/2007, incluído pela Lei 14.026/2020 define que os serviços públicos de esgotamento sanitário têm a obrigação de realizar a coleta, o transporte, o tratamento e a disposição final do esgoto e lodo gerados na etapa de tratamento dessas águas (FREIRE, 2017).
2.2 Processo de tratamento de Efluentes em Estação de Tratamento de Esgoto (ETE)
O mais comum e utilizado é o método de tratamento de efluentes que foi desenvolvido em 1914 na Inglaterra, que consiste na mistura de esgoto e lodo ativado, agitado e aerados para decomposição da matéria orgânica através do metabolismo das próprias bactérias presente no processo (Sabesp, 2022)2:
Figura 1 – Fase Líquida
Fonte: SEMAE, 2022
Etapa 01: No consumo da água potável para fins de alimentação, higiene pessoal, e limpeza são gerados os efluentes que são destinados para as redes coletoras que passam pelos troncos e interceptores até chegar às ETE – Estações de Tratamento de Esgotos (SEMAE, 2022).
Etapa 02: O efluente bruto é levado até uma estação de tratamento, a fim de se remover os focos de contaminação, o odor, a cor, os óleos e outras substâncias, que causem danos aos seres humanos, ao meio aquático, à fauna e à flora (VIEIRA; COSTA; BARRÊTO, 2006).
Etapa 03: Ocorre a separação da matéria sólida em duas fases, na primeira o esgoto passa por uma grade de ferro que contém sólidos grosseiros como papéis, plásticos, tampas, latas etc., na segunda fase o esgoto passa por uma peneira para retenção de areia, pedregulhos, escória, cascalho (SEMAE, 2022)
Etapa 04: Por uma técnica de sedimentação a areia e pedras que se encontra suspensa no efluente é decantada e ficam em repouso no fundo do tanque enquanto a matéria orgânica junto com a água permanece na superfície (TERA, 2021).
Etapa 05: O efluente com a matéria orgânica passa para o decantador primário que sedimenta as partículas mais densas.
Etapa 06: Ainda com vestígio de matéria orgânica é passado para o tanque de aeração. Nessa etapa o ar que é fornecido para o efluente provoca a multiplicação dos microrganismos presentes que irão alimentar-se da matéria orgânica e assim será formado o lodo que diminuirá a carga poluidora do esgoto.
Etapa 07: Ao passar para o decantador secundário passará por separação do lodo sólido com o líquido através de um sistema de sucção. Portanto, a água tratada nessa fase apresenta 90% de pureza, assim, não pode ser consumida para fins de consumação ou higiene pessoal.
Etapa 08: Dessa forma a água tratada é lançada em rios ou reutilizada em processos industriais, limpeza das áreas pavimentadas e irrigação das plantas (SEMAE, 2022).
3. METRODOLOGIA E MÉTODOS
Para o estudo do uso de aeração no tratamento de recursos hídricos utilizou-se revisão bibliográfica de periódicos nas plataformas: Google Acadêmico, Scielo, periódico CAPES, plataformas governamentais e Science Direct e as legislações brasileiras:CETESB (SP) – Lei n° 997 de 31/05/1973 e Decreto n° 8.468 de 08/09/1976 , Resolução Federal CONAMA no 20 de 18/06/1986 , Política Estadual de Recursos Hídricos (SP) – Lei n o 7.663 de 30/12/1991, Política Nacional de Recursos Hídricos – Lei n° 9.433 de 08/01/1997 e Resolução Federal CONAMA nº 357 de 17/03/2005.
3.1 Tratamento da matéria orgânica por processo biológico de aeração e físico-químico por Air stripping
3.1.1 Lagoas Aeradas – método de tratamento biológico
De acordo com Brito et al. (2015, p.170), apud Nuvolari (2011), houve o surgimento das lagoas aeradas com a necessidade de diminuir a área para o tratamento, comparadas com as lagoas de estabilização. Entanto, para esse processo é necessário a introdução artificial do oxigênio para que os microrganismos responsáveis por parte da decomposição da matéria orgânica solúvel sejam decantados em partículas. Essa aeração tem um alto potencial de energia que viabiliza a manutenção da massa em suspensão formando-a em flocos biológicos, a qual seguirá para separação no processo seguinte de sedimentação.
Nessas lagoas aeradas são permitidos uma profundidade de 1,0 a 3,0 metros com paredes inclinadas e podem ou não ser definidos em função da aplicação dos dispositivos de aeração e mistura mecanizadas que fornecem oxigênio e promovem a mistura da massa líquida que bloqueia a estratificação das camadas e a volatização dos compostos tóxicos (SANTOS, 2022).
As lagoas aeradas recebem o oxigênio de forma mecânica através de difusores porosos instalados ao fundo da lagoa que irá receber o ar gerado de sopradores ou aeradores superficiais flutuantes (VALADARES, 2018). A posição do difusor em relação à profundidade, a temperatura da água, os tipos de poluição, tamanho da bolha irá definir a eficiência do difusor, de uma forma geral se obtêm valores de 6 – 7 % de transferência de oxigênio, para cada metro de aprofundamento com bolhas médias de 2 a 3 mm.
Figura 2 – Esquemas dos sistemas de aeração por ar difuso e aeração mecânica
Fonte: Nuvolari, 2011
A eficiência do difusor depende da profundidade a que é colocado, da temperatura da água, tipo de poluição, tamanho da bolha etc. De maneira geral se obtêm valores de 6 – 7 % de transferência de oxigênio, para cada metro de aprofundamento com bolhas médias de 2 a 3 mm.
A “detenção das lagoas aeradas é de 3 dias” (VALADARES, 2018). Elas podem ser separadas em duas categorias: lagoas aeradas aeróbias e as lagoas aeradas facultativas. Nutrenzi (2022) e **explica sobre elas:
Lagoas Aeradas Aeróbias: O processo aeróbio faz com que a matéria orgânica seja degradada por oxirredução. Se baseia na simbiose entre as algas, bactérias e outros microrganismos, onde decompõe a matéria orgânica produzindo nutrientes para as algas, que por sua vez absorve a luz solar e produz CO2 em hidratos de carbono liberando o O2 que será consumido. Nesses casos é preciso que as lagoas sejam mais rasas e uma área menor para que a energia solar alcance as algas.
Lagoas Aeradas Facultativas: Nesse processo ocorre por meio aeróbios e anaeróbios simultaneamente, isso é possível devido os agitadores mecânicos que mantém a agitação ligadas por intervalos de tempo, permitindo assim que a camada orgânica solúvel sofra decomposição aeróbia pela ação dos microrganismos heterotróficos que aproveitam o O2 que provém da fotossíntese das algas e ventilação superficial enquanto a sedimentação dos sólidos e estes passam a sofrer digestão anaeróbia no fundo da lagoa. O metabolismo dos microrganismos também resulta em outros produtos que são absorvidos para aproveitamento da fotossíntese realizada nas algas, como o amônio (NH4+) e o fosfato (PO4 3-). A profundidade dessas lagoas são menores e chegam a ser de 1,5 a 2,0 metros.
Silva (2018) demonstra o mecanismo semelhantes das reações da produção e oxidação da matéria orgânica, entanto com sentidos opostos:
No quadro 1 é demonstrado as vantagens e desvantagens de optar pelo método do tratamento biológico através das lagoas de aeração.
Quadro 1: Vantagens e desvantagens das Lagoas Aeradas
| VANTAGENS | DESVANTAGENS |
| Baixo custo operacional e de manutenção | Elevada área de implantação |
| Odores | |
| Aeradores promovem a mistura da massa líquida | Produção de lama |
| Gasto com energia elétrica para funcionamento dos aeradores |
Fonte: Santos, (2022).
Na zona anaeróbica é isento de oxigênio e para degradação do lodo do fundo dessas lagoas são utilizados sulfatos (SO42-) e CO2 como recebedor de elétrons. Esse lodo é convertido vagarosamente em gás carbônico (CO2), gás sulfídrico (H2S), água (H2O), gás metano (CH4) e outros. Os gases resultantes da conversão são liberados e absorvidos na massa líquida ou na atmosfera restando no fundo apenas o material inerte mineralizado (não biodegradável). O gás H2S liberado tem como característica seu odor desagradável, semelhante ao cheiro de “ovo podre”, ao passar pela camada aeróbia superior, é oxidado por processos químicos e bioquímicos, e por isso não causa problemas com seu odor (MELO et al., 2019).
MELO et al. (2019) e GRUPO (2017), enfatiza a importância da concentração de oxigênio dissolvido (OD) tanto nas águas naturais (essencial para sobrevivência de seres vivos como os animais marinhos e plantas, que não sobrevivem a concentrações de OD inferior a 4,0 mg.L-1) quanto ao tratamento biológico de esgoto (para proporcionar crescimento e desenvolvimento das colônias microbianas o OD deve ser de no mínimo 2 mg.L-1). Portanto este é um parâmetro de extrema relevância na legislação brasileira, bem como na composição de índices de qualidade de águas (IQAs).
3.1.3 Air stripping – método de tratamento físico-químico
Nas lagoas também ocorre a oxidação pela decomposição biológica de compostos nitrogenados como a proteínas e aminoácidos produzindo inicialmente a amônia (NH4+), em seguida a oxidação se dá origem a nitrificação duas bactérias, onde na primeira oxidação forma-se a Nitrosomonas e nitrito (NO2-) e pôr fim a Nitrobacter com a oxidação de nitrato (NO3-), composto mineralizado solúvel que prontamente é assimilável as plantas (GRUPO, 2017).
Figura 3 – Mecanismo de oxidação da amônia
Fonte: adaptado de GRUPO, 2017.
O método de stripping é muito utilizado para remoção de amônia (NH3) mas também pode ser utilizado para remoção de metano (CH4), íon amônio (NH4+) e compostos orgânicos voláteis. O Air stripping corresponde a passagem de uma elevada quantidade de ar pelo lixiviado, a fim de promover a transferência de massa de alguns poluentes da fase líquida para gasosa (Santos, 2022).
Os padrões de escoamento estão relacionados a três fases: paralelo, contracorrente e cruzado. O método que mais se utiliza é a contracorrente onde consiste em uma operação unitária com objetivo remoção do nitrogênio amoniacal (Santos, 2022).
Esse processo ocorre em torres de stripping ou de aeração (denominadas também como torres de gotejamento) são semelhantes a torres de resfriamento e são preenchidas material de enchimento em PVC, constituído por dutos de seção cilíndrica ou triangular. Os respingos provocados pelo contato da água com o material de enchimento facilitam o arraste da amônia (MOTA; SPERLING, 2009).
O efluente com uma concentração maior de 20 ppm de amônia é introduzido pelo topo de uma torre de stripping enquanto o ar é destinado a entrar em contracorrente pela base da torre, com o auxílio de sopradores ou aspersores, instigando assim a troca de massa entre as duas correntes (SERVIÇOS E CONSULTORIA AMBIENTAL LTDA, 2021).
Mota e Sperling (2009) explicam que para o método de stripping é muito importante o controle de pH e temperatura da água. A redução da temperatura permite a maior solubilidade do gás amônia na água e isso dificulta a volatilização do gás. Isso influencia diretamente no pH, é preciso manter um pH de 11 para a elevação da temperatura e para isso é bastante utilizado cal ou soda. Com a elevação do pH haverá transformação de ânion de bicarbonato (HCO3-) em íon de carbonato (CO32-) que resultará na formação de carbonato de cálcio e essa aparece como precipitação sobre as colunas de separação formando incrustações.
Em função do aumento da temperatura é permitido a redução da quantidade de ar de entrada que se emprega o mínimo de 1.600 m3 de ar por m3 de efluente líquido. A eficiência de remoção de nitrogênio é de até 90% a 20°C e podem ser obtidas para uma vazão de ar de 2,5 m3/L de afluente e taxa de aplicação superficial de 120L/m2. min, no caso da elevação da vazão de ar para 7,5 m3/L de afluente, a eficiência de remoção pode ser elevada para até 98%.
Assim é possível identificar e separar algumas de suas vantagens e desvantagens do processo de air stripping.
Quadro 2: Vantagens e desvantagens do processo air stripping
| VANTAGENS | DESVANTAGENS |
| Remoção de poluentes | Liberação de NH3 na atmosfera |
| Formação de precipitação de carbonato de cálcio na torre de stripping quando a cal é usada para ajuste o pH. | |
| Melhoria da eficiência do sistema de tratamento de efluentes | Necessidade de grande torre de stripping para evitar a formação de espuma. |
| Eficiência de remoção de DQO limitada. |
Fonte: Santos, (2022).
4. CONCLUSÃO
Este estudo revela que air strippnig é um processo com alta viabilidade e aplicabilidade para tratamento de efluentes em remoção de gás metano e amônia, além de ser eficiente no controle de parâmetros físico-químicos, como pH e temperatura. Dessa forma, processos com aeração e air stripping possuem contribuição na melhoria de tratamentos de efluentes.
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1Graduando no curso de Bacharelado em Química Industrial – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) – Campus Suzano, soraya.m@aluno.ifsp.edu.br;
2Docente do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP) – Campus Suzano; laura.carvalho@ifsp.edu.br