Este artigo pretende fornecer ao leitor uma compreensão da tecnologia atualmente disponível para abordar o controle da poluição da água, com base na discussão de tendências e ocorrências fornecidas por Hespanhol e Helmer no capítulo Perigos para a saúde ambiental. As seções a seguir abordam o controle dos problemas de poluição da água, primeiro sob o título “Controle da Poluição da Água Superficial” e depois sob o título “Controle da Poluição da Água Subterrânea”.

Controle de Poluição de Água Superficial

Definição de poluição da água

A poluição da água refere-se ao estado qualitativo de impureza ou impureza nas águas hidrológicas de uma determinada região, como uma bacia hidrográfica. Resulta de uma ocorrência ou processo que causa uma redução na utilidade das águas da Terra, especialmente no que se refere à saúde humana e aos efeitos ambientais. O processo de poluição enfatiza a perda de pureza através da contaminação, o que implica ainda a intrusão ou contato com uma fonte externa como causa. O termo contaminado é aplicado a níveis extremamente baixos de poluição da água, como em sua corrupção e decadência iniciais. A impureza é o resultado da poluição e sugere violação ou profanação.

águas hidrológicas

As águas naturais da Terra podem ser vistas como um sistema de circulação contínua, conforme mostrado na figura 1, que fornece uma ilustração gráfica das águas no ciclo hidrológico, incluindo águas superficiais e subterrâneas.

Figura 1. O ciclo hidrológico

Como referência de qualidade da água, as águas destiladas (H₂O) representam o mais alto estado de pureza. As águas no ciclo hidrológico podem ser vistas como naturais, mas não são puras. Eles se tornam poluídos por atividades naturais e humanas. Os efeitos da degradação natural podem resultar de uma miríade de fontes - da fauna, flora, erupções vulcânicas, relâmpagos causando incêndios e assim por diante, que a longo prazo são considerados níveis de fundo predominantes para fins científicos.

A poluição produzida pelo homem perturba o equilíbrio natural ao sobrepor materiais residuais descarregados de várias fontes. Os poluentes podem ser introduzidos nas águas do ciclo hidrológico em qualquer ponto. Por exemplo: a precipitação atmosférica (chuva) pode ser contaminada por poluentes atmosféricos; as águas superficiais podem ficar poluídas no processo de escoamento das bacias hidrográficas; o esgoto pode ser lançado em córregos e rios; e as águas subterrâneas podem ficar poluídas por infiltração e contaminação subterrânea.

 

 

A Figura 2 mostra a distribuição das águas hidrológicas. A poluição é então sobreposta a essas águas e pode, portanto, ser vista como uma condição ambiental não natural ou desequilibrada. O processo de poluição pode ocorrer em águas de qualquer parte do ciclo hidrológico, sendo mais evidente na superfície terrestre na forma de escoamento de bacias hidrográficas para córregos e rios. No entanto, a poluição das águas subterrâneas também é de grande impacto ambiental e é discutida após a seção sobre poluição das águas superficiais.

Figura 2. Distribuição da precipitação

Fontes de bacias hidrográficas de poluição da água

As bacias hidrográficas são o domínio originário da poluição das águas superficiais. Uma bacia hidrográfica é definida como uma área da superfície da terra na qual as águas hidrológicas caem, se acumulam, são usadas, descartadas e, eventualmente, são descarregadas em córregos, rios ou outros corpos d'água. É composto por um sistema de drenagem com escoamento final ou coleta em um córrego ou rio. Grandes bacias hidrográficas são geralmente chamadas de bacias de drenagem. A Figura 3 é uma representação do ciclo hidrológico em uma bacia hidrográfica regional. Para uma região, a disposição das várias águas pode ser escrita como uma equação simples, que é a equação básica da hidrologia escrita por Viessman, Lewis e Knapp (1989); unidades típicas são mm/ano:

P - R - G - E - T = ±S

em que:

P = precipitação (ou seja, precipitação, queda de neve, granizo)

R = escoamento ou fluxo superficial da bacia hidrográfica

G = água subterrânea

E = evaporação

T = transpiração

S = armazenamento de superfície

Figura 3. Ciclo hidrológico regional

A precipitação é vista como a forma inicial no balanço hidrológico acima. O termo escoamento é sinônimo de vazão. Armazenamento refere-se a reservatórios ou sistemas de detenção que coletam águas; por exemplo, uma represa feita pelo homem (barragem) em um rio cria um reservatório para fins de armazenamento de água. A água subterrânea é coletada como um sistema de armazenamento e pode fluir de um local para outro; pode ser afluente ou efluente em relação aos cursos de água superficiais. A evaporação é um fenômeno da superfície da água e a transpiração está associada à transmissão da biota.

 

 

 

 

 

 

 

Embora as bacias hidrográficas possam variar muito em tamanho, certos sistemas de drenagem para designação de poluição da água são classificados como de caráter urbano ou não urbano (agrícola, rural, subdesenvolvido). A poluição que ocorre dentro desses sistemas de drenagem tem origem nas seguintes fontes:

Fontes pontuais: descargas de resíduos em um corpo receptor de água em um local específico, em um ponto como um cano de esgoto ou algum tipo de saída de sistema concentrado.

Fontes não pontuais (dispersas): poluição entrando em um corpo receptor de água de fontes dispersas na bacia hidrográfica; A drenagem de águas pluviais não coletadas para um córrego é típica. Fontes difusas também são algumas vezes chamadas de águas “difusas”; no entanto, o termo disperso é visto como mais descritivo.

Fontes intermitentes: de um ponto ou fonte que descarrega sob certas circunstâncias, como em condições de sobrecarga; transbordamentos combinados de esgoto durante os períodos de escoamento de chuvas fortes são típicos.

Poluentes da água em córregos e rios

Quando materiais residuais deletérios das fontes acima são descarregados em córregos ou outros corpos de água, eles se tornam poluentes que foram classificados e descritos em uma seção anterior. Poluentes ou contaminantes que entram em um corpo de água podem ser divididos em:

• poluentes degradáveis ​​(não conservativos): impurezas que eventualmente se decompõem em substâncias inofensivas ou que podem ser removidas por métodos de tratamento; isto é, certos materiais orgânicos e produtos químicos, esgoto doméstico, calor, nutrientes vegetais, a maioria das bactérias e vírus, certos sedimentos
• poluentes não degradáveis ​​(conservadores): impurezas que persistem no ambiente aquático e não reduzem em concentração a menos que sejam diluídas ou removidas por meio de tratamento; isto é, certos produtos químicos orgânicos e inorgânicos, sais, suspensões coloidais
• poluentes perigosos veiculados pela água: formas complexas de resíduos deletérios, incluindo vestígios de metais tóxicos, certos compostos inorgânicos e orgânicos
• poluentes radionuclídeos: materiais que foram submetidos a uma fonte radioativa.

 

Regulamentos de controle de poluição da água

Regulamentos de controle de poluição da água amplamente aplicáveis ​​são geralmente promulgados por agências governamentais nacionais, com regulamentos mais detalhados por estados, províncias, municípios, distritos de água, distritos de conservação, comissões de saneamento e outros. Nos níveis nacional e estadual (ou provincial), as agências de proteção ambiental (EPAs) e os ministérios da saúde geralmente são encarregados dessa responsabilidade. Na discussão dos regulamentos abaixo, o formato e algumas partes seguem o exemplo dos padrões de qualidade da água atualmente aplicáveis ​​ao estado americano de Ohio.

Designações de uso da qualidade da água

O objetivo final no controle da poluição da água seria o lançamento zero de poluentes nos corpos d'água; no entanto, a realização completa desse objetivo geralmente não é rentável. A abordagem preferida é estabelecer limitações nas descargas de eliminação de resíduos para a proteção razoável da saúde humana e do meio ambiente. Embora esses padrões possam variar amplamente em diferentes jurisdições, as designações de uso para corpos de água específicos são geralmente a base, conforme brevemente abordado abaixo.

O abastecimento de água inclui:

• abastecimento público de água: águas que com tratamento convencional serão próprias para consumo humano
• abastecimento agrícola: águas adequadas para irrigação e abeberamento de gado sem tratamento
• abastecimento industrial/comercial: águas adequadas para usos industriais e comerciais com ou sem tratamento.

 

As atividades recreativas incluem:

• águas balneares: águas que, durante certas estações, são adequadas para natação, conforme aprovado para qualidade da água, juntamente com condições e instalações de proteção
• contato primário: águas que durante certas estações são adequadas para recreação de corpo inteiro, como natação, canoagem e mergulho subaquático com ameaça mínima à saúde pública como resultado da qualidade da água
• contato secundário: águas que durante certas estações são adequadas para recreação de contato corporal parcial, como, mas não limitado a, vadear, com ameaça mínima à saúde pública como resultado da qualidade da água.

 

Os recursos hídricos públicos são categorizados como corpos d'água que se encontram dentro de sistemas de parques, zonas úmidas, áreas de vida selvagem, rios selvagens, pitorescos e recreativos e lagos de propriedade pública e águas de excepcional importância recreativa ou ecológica.

Habitats de vida aquática

As designações típicas variam de acordo com os climas, mas referem-se às condições dos corpos d'água para sustentar e manter certos organismos aquáticos, especialmente várias espécies de peixes. Por exemplo, as designações de uso em um clima temperado, conforme subdividido nos regulamentos da Agência de Proteção Ambiental do Estado de Ohio (EPA), estão listadas abaixo sem descrições detalhadas:

• água morna
• água morna limitada
• água morna excepcional
• água morna modificada
• salmonídeo sazonal
• água fria
• recursos hídricos limitados.

 

Critérios de controle da poluição da água

As águas naturais e as águas residuais são caracterizadas quanto à sua composição física, química e biológica. As principais propriedades físicas e os constituintes químicos e biológicos das águas residuais e suas fontes são uma longa lista, relatada em um livro de Metcalf e Eddy (1991). Os métodos analíticos para essas determinações são fornecidos em um manual amplamente utilizado intitulado Métodos padrão para o exame de água e águas residuais pela Associação Americana de Saúde Pública (1995).

Cada massa de água designada deve ser controlada de acordo com os regulamentos que podem ser compostos por critérios numéricos básicos e mais detalhados, conforme brevemente discutido abaixo.

Liberdade básica da poluição. Na medida do possível e prático, todos os corpos de água devem atender aos critérios básicos das “Cinco Liberdades de Poluição”:

1. livre de sólidos em suspensão ou outras substâncias que entram nas águas como resultado da atividade humana e que se depositam para formar depósitos de lodo pútrido ou de outra forma censurável, ou que afetam adversamente a vida aquática
2. livre de detritos flutuantes, óleo, espuma e outros materiais flutuantes que entram nas águas como resultado da atividade humana em quantidades suficientes para serem desagradáveis ​​ou causar degradação
3. livre de materiais que entram nas águas como resultado da atividade humana, produzindo cor, odor ou outras condições em tal grau que criam incômodo
4. livre de substâncias que entram nas águas como resultado da atividade humana, em concentrações que são tóxicas ou nocivas para a vida humana, animal ou aquática e/ou são rapidamente letais na zona de mistura
5. livre de nutrientes que entram nas águas como resultado da atividade humana, em concentrações que criam crescimento incômodo de ervas daninhas e algas aquáticas.

 

Os critérios de qualidade da água são limitações numéricas e diretrizes para o controle de constituintes químicos, biológicos e tóxicos em corpos d'água.

Com mais de 70,000 compostos químicos em uso hoje, é impraticável especificar o controle de cada um. No entanto, os critérios para produtos químicos podem ser estabelecidos com base em limitações, uma vez que se referem, em primeiro lugar, a três classes principais de consumo e exposição:

Aula 1: Os critérios químicos para proteção da saúde humana são a primeira grande preocupação e devem ser definidos de acordo com as recomendações das agências governamentais de saúde, da OMS e de organizações reconhecidas de pesquisa em saúde.

Aula 2: Os critérios químicos para o controle do abastecimento de água na agricultura devem ser baseados em estudos e recomendações científicas reconhecidas que protejam contra os efeitos adversos nas plantações e no gado como resultado da irrigação das plantações e da irrigação do gado.

Aula 3: Os critérios químicos para proteção da vida aquática devem ser baseados em estudos científicos reconhecidos sobre a sensibilidade dessas espécies a produtos químicos específicos e também relacionados ao consumo humano de peixes e frutos do mar.

Os critérios de efluentes de águas residuais referem-se às limitações dos constituintes poluentes presentes nos efluentes de águas residuais e são um outro método de controle. Eles podem ser definidos como relacionados às designações de uso de água de corpos d'água e como se relacionam com as classes acima para critérios químicos.

Os critérios biológicos são baseados nas condições do habitat do corpo de água que são necessárias para sustentar a vida aquática.

Teor orgânico de águas residuais e águas naturais

O conteúdo bruto de matéria orgânica é mais importante na caracterização da força poluidora tanto das águas residuais quanto das águas naturais. Três testes de laboratório são comumente usados ​​para essa finalidade:

Demanda bioquímica de oxigênio (DBO): DBO de cinco dias (BOD5) é o parâmetro mais utilizado; esse teste mede o oxigênio dissolvido usado pelos microrganismos na oxidação bioquímica da matéria orgânica nesse período.

Demanda química de oxigênio (DQO): este teste é para medir a matéria orgânica em resíduos urbanos e industriais que contêm compostos tóxicos para a vida biológica; é uma medida do oxigênio equivalente da matéria orgânica que pode ser oxidada.

Carbono orgânico total (TOC): este teste é especialmente aplicável a pequenas concentrações de matéria orgânica na água; é uma medida da matéria orgânica que é oxidada a dióxido de carbono.

Regulamentos da política antidegradação

Os regulamentos da política antidegradação são uma abordagem adicional para prevenir a propagação da poluição da água além de certas condições prevalecentes. Como exemplo, a política antidegradação dos Padrões de Qualidade da Água da Agência de Proteção Ambiental de Ohio consiste em três níveis de proteção:

Nível 1: Os usos existentes devem ser mantidos e protegidos. Nenhuma degradação adicional da qualidade da água é permitida que interfira nos usos designados existentes.

Nível 2: Em seguida, a qualidade da água melhor do que a necessária para proteger os usos deve ser mantida, a menos que seja demonstrado que uma qualidade inferior da água é necessária para um desenvolvimento econômico ou social importante, conforme determinado pelo Diretor da EPA.

Nível 3: Finalmente, a qualidade das águas dos recursos hídricos deve ser mantida e protegida. A qualidade da água ambiente existente não deve ser degradada por quaisquer substâncias consideradas tóxicas ou que interfiram com qualquer uso designado. Cargas crescentes de poluentes podem ser descarregadas em corpos d'água se não resultarem na redução da qualidade da água existente.

Zonas de mistura de descarga de poluição da água e modelagem de alocação de carga de resíduos

As zonas de mistura são áreas em um corpo de água que permitem que descargas de águas residuais tratadas ou não tratadas atinjam condições estabilizadas, conforme ilustrado na figura 4 para um fluxo contínuo. A descarga está inicialmente em um estado transitório que se torna progressivamente diluído da concentração da fonte para as condições da água receptora. Não deve ser considerada como uma entidade de tratamento e pode ser delineada com restrições específicas.

Figura 4. Zonas de mistura

Normalmente, as zonas de mistura não devem:

• interferir na migração, sobrevivência, reprodução ou crescimento de espécies aquáticas

• incluem áreas de desova ou berçário

• incluem tomadas de abastecimento público de água

• incluem zonas balneares

• constituem mais de 1/2 da largura de um córrego

• constituem mais de 1/2 da área da seção transversal de uma foz

• estender a jusante por uma distância superior a cinco vezes a largura do fluxo.

 

Os estudos de alocação de carga de resíduos tornaram-se importantes devido ao alto custo do controle de nutrientes das descargas de águas residuais para evitar a eutrofização no rio (definido abaixo). Esses estudos geralmente empregam o uso de modelos computacionais para simulação das condições de qualidade da água de um córrego, principalmente no que diz respeito a nutrientes como formas de nitrogênio e fósforo, que afetam a dinâmica do oxigênio dissolvido. Os modelos tradicionais de qualidade da água deste tipo são representados pelo modelo US EPA QUAL2E, que foi descrito por Brown e Barnwell (1987). Um modelo mais recente proposto por Taylor (1995) é o Omni Diurnal Model (ODM), que inclui uma simulação do impacto da vegetação enraizada na dinâmica de nutrientes e oxigênio dissolvido no fluxo.

Disposições de variação

Todos os regulamentos de controle de poluição da água são limitados em perfeição e, portanto, devem incluir disposições que permitam a variação de julgamento com base em certas condições que podem impedir o cumprimento imediato ou completo.

Avaliação e gestão de riscos relacionados à poluição da água

Os regulamentos de controle de poluição da água acima são típicos de abordagens governamentais em todo o mundo para alcançar a conformidade com os padrões de qualidade da água e os limites de descarga de efluentes de águas residuais. Geralmente, esses regulamentos foram estabelecidos com base em fatores de saúde e pesquisas científicas; onde existe alguma incerteza quanto aos possíveis efeitos, frequentemente são aplicados fatores de segurança. A implementação de alguns desses regulamentos pode ser irracional e extremamente custosa para o público em geral, bem como para a iniciativa privada. Portanto, há uma preocupação crescente com a alocação mais eficiente de recursos para atingir as metas de melhoria da qualidade da água. Conforme apontado anteriormente na discussão sobre águas hidrológicas, a pureza primitiva não existe mesmo em águas naturais.

Uma crescente abordagem tecnológica incentiva a avaliação e gestão de riscos ecológicos no estabelecimento de regulamentos de poluição da água. O conceito é baseado em uma análise dos benefícios e custos ecológicos no cumprimento de padrões ou limites. Parkhurst (1995) propôs a aplicação da avaliação de riscos ecológicos aquáticos como uma ajuda no estabelecimento de limites de controle da poluição da água, particularmente quando aplicável para a proteção da vida aquática. Esses métodos de avaliação de risco podem ser aplicados para estimar os efeitos ecológicos das concentrações químicas para uma ampla gama de condições de poluição das águas superficiais, incluindo:

• poluição de fonte pontual

• poluição de fonte não pontual

• sedimentos contaminados existentes em canais de fluxo

• locais de resíduos perigosos relacionados a corpos d'água

• análise dos critérios existentes de controle da poluição da água.

 

O método proposto consiste em três níveis; conforme mostrado na figura 5, que ilustra a abordagem.

Figura 5. Métodos para conduzir a avaliação de risco para níveis sucessivos de análise. Tier 1: Nível de triagem; Nível 2: Quantificação de riscos potencialmente significativos; Nível 3: quantificação de risco específica do local

Poluição da água em lagos e reservatórios

Lagos e reservatórios fornecem o armazenamento volumétrico de fluxo de entrada de bacias hidrográficas e podem ter longos períodos de tempo de descarga em comparação com o fluxo rápido de entrada e saída de um curso em um curso de água. Portanto, eles são de preocupação especial no que diz respeito à retenção de certos constituintes, especialmente nutrientes, incluindo formas de nitrogênio e fósforo que promovem a eutrofização. A eutrofização é um processo de envelhecimento natural no qual o teor de água torna-se organicamente enriquecido, levando ao domínio de crescimento aquático indesejável, como algas, jacintos de água e assim por diante. O processo eutrófico tende a diminuir a vida aquática e tem efeitos prejudiciais do oxigênio dissolvido. Fontes naturais e culturais de nutrientes podem promover o processo, conforme ilustrado por Preul (1974) na figura 6, mostrando uma lista esquemática de fontes e sumidouros de nutrientes para o lago Sunapee, no estado americano de New Hampshire.

Figura 6. Listagem esquemática de fontes e sumidouros de nutrientes (nitrogênio e fósforo) para Lake Sunapee, New Hampshire (EUA)

Lagos e reservatórios, é claro, podem ser amostrados e analisados ​​para determinar seu status trófico. Os estudos analíticos geralmente começam com um equilíbrio básico de nutrientes, como o seguinte:

(nutrientes afluentes do lago) = (nutrientes do efluente do lago) + (retenção de nutrientes no lago)

Esse equilíbrio básico pode ser expandido para incluir as várias fontes mostradas na figura 6.

O tempo de descarga é uma indicação dos aspectos relativos de retenção de um sistema de lago. Lagos rasos, como o Lago Erie, têm tempos de descarga relativamente curtos e estão associados à eutrofização avançada porque lagos rasos geralmente são mais propícios ao crescimento de plantas aquáticas. Lagos profundos como o Lago Tahoe e o Lago Superior têm períodos de descarga muito longos, geralmente associados a lagos com eutrofização mínima porque até o momento não foram sobrecarregados e também porque suas profundidades extremas não são propícias ao crescimento extensivo de plantas aquáticas exceto no epilímnio (zona superior). Lagos nesta categoria são geralmente classificados como oligotróficos, com base em que são relativamente pobres em nutrientes e suportam crescimento aquático mínimo, como algas.

É interessante comparar os tempos de descarga de alguns dos principais lagos dos EUA, conforme relatado por Pecor (1973), usando a seguinte base de cálculo:

tempo de descarga do lago (LFT) = (volume de armazenamento do lago)/(vazão do lago)

Alguns exemplos são: Lago Wabesa (Michigan), LFT=0.30 anos; Houghton Lake (Michigan), 1.4 anos; Lago Erie, 2.6 anos; Lago Superior, 191 anos; Lago Tahoe, 700 anos.

Embora a relação entre o processo de eutrofização e o teor de nutrientes seja complexa, o fósforo é normalmente reconhecido como o nutriente limitante. Com base em condições totalmente mistas, Sawyer (1947) relatou que a proliferação de algas tende a ocorrer se os valores de nitrogênio excederem 0.3 mg/l e os de fósforo excederem 0.01 mg/l. Em lagos e reservatórios estratificados, baixos níveis de oxigênio dissolvido no hipoliminion são sinais precoces de eutrofização. Vollenweider (1968, 1969) desenvolveu níveis críticos de carga de fósforo total e nitrogênio total para vários lagos com base nas cargas de nutrientes, profundidades médias e estados tróficos. Para uma comparação do trabalho sobre este assunto, Dillon (1974) publicou uma revisão crítica do modelo de orçamento de nutrientes de Vollenweider e outros modelos relacionados. Modelos de computador mais recentes também estão disponíveis para simular ciclos de nitrogênio/fósforo com variações de temperatura.

Poluição da água em estuários

Um estuário é uma passagem intermediária de água entre a foz de um rio e uma costa marítima. Esta passagem é composta por um canal de desembocadura de rio com entrada de rio (água doce) a montante e descarga de saída no lado de jusante para um nível de caudal de água do mar em constante mudança (água salgada). Os estuários são continuamente afetados pelas flutuações das marés e estão entre os corpos de água mais complexos encontrados no controle da poluição da água. As características dominantes de um estuário são salinidade variável, uma cunha de sal ou interface entre água salgada e doce, e muitas vezes grandes áreas de águas rasas e turvas sobrepostas a planícies lodosas e pântanos salgados. Os nutrientes são amplamente fornecidos a um estuário a partir do rio afluente e combinam-se com o habitat da água do mar para proporcionar uma produção prolífica de biota e vida marinha. Especialmente desejados são os frutos do mar colhidos em estuários.

Do ponto de vista da poluição da água, os estuários são individualmente complexos e geralmente requerem investigações especiais empregando extensos estudos de campo e modelagem computacional. Para um entendimento básico adicional, o leitor deve consultar Reish 1979, sobre poluição marinha e estuarina; e a Reid e Wood 1976, sobre a ecologia de águas interiores e estuários.

Poluição da água em ambientes marinhos

Os oceanos podem ser vistos como o último receptor ou sumidouro de água, uma vez que os resíduos carregados pelos rios finalmente descarregam neste ambiente marinho. Embora os oceanos sejam vastos corpos de água salgada com capacidade de assimilação aparentemente ilimitada, a poluição tende a prejudicar as costas e afetar ainda mais a vida marinha.

Fontes de poluentes marinhos incluem muitos daqueles encontrados em ambientes de águas residuais terrestres, além de outros relacionados a operações marítimas. Uma lista limitada é dada abaixo:

• esgoto doméstico e lodo, resíduos industriais, resíduos sólidos, resíduos de bordo

• resíduos da pesca, sedimentos e nutrientes dos rios e escoamento superficial

• derramamentos de óleo, exploração de petróleo offshore e resíduos de produção, operações de dragagem

• calor, resíduos radioativos, resíduos químicos, pesticidas e herbicidas.

 

Cada um dos itens acima requer manuseio e métodos de controle especiais. A descarga de esgoto doméstico e lodo de esgoto através de emissários oceânicos é talvez a principal fonte de poluição marinha.

Para conhecer a tecnologia atual sobre o assunto, o leitor deve consultar o livro sobre a poluição marinha e seu controle de Bishop (1983).

Técnicas para reduzir a poluição nas descargas de águas residuais

O tratamento de águas residuais em larga escala é normalmente realizado por municípios, distritos sanitários, indústrias, empresas comerciais e várias comissões de controle de poluição. O objetivo aqui é descrever os métodos contemporâneos de tratamento de águas residuais municipais e, em seguida, fornecer alguns insights sobre o tratamento de resíduos industriais e métodos mais avançados.

Em geral, todos os processos de tratamento de águas residuais podem ser agrupados em tipos físicos, químicos ou biológicos, e um ou mais destes podem ser empregados para obter um produto efluente desejado. Este agrupamento de classificação é mais apropriado para a compreensão das abordagens de tratamento de águas residuais e está tabulado na tabela 1.

Tabela 1. Classificação geral das operações e processos de tratamento de águas residuais

 

Métodos contemporâneos de tratamento de águas residuais

A cobertura aqui é limitada e destina-se a fornecer uma visão geral conceitual das práticas atuais de tratamento de águas residuais em todo o mundo, em vez de dados de projeto detalhados. Para este último, o leitor deve consultar Metcalf e Eddy 1991.

As águas residuais municipais, juntamente com alguma mistura de resíduos industriais/comerciais, são tratadas em sistemas que geralmente empregam tratamento primário, secundário e terciário da seguinte forma:

Sistema de tratamento primário: Pré-tratamento ® Decantação primária ® Desinfecção (cloração) ® Efluente

Sistema de tratamento secundário: Pré-tratamento ® Decantação primária ® Unidade biológica ® Segunda decantação ® Desinfecção (cloração) ® Efluente para fluxo

Sistema de tratamento terciário: Pré-tratamento ® Decantação primária ® Unidade biológica ® Segunda decantação ® Unidade terciária ® Desinfecção (cloração) ® Efluente para fluxo

A Figura 7 mostra ainda um diagrama esquemático de um sistema convencional de tratamento de águas residuais. Seguem descrições gerais dos processos acima.

Figura 7. Diagrama esquemático do tratamento convencional de águas residuais

Tratamento primário

O objetivo básico do tratamento primário de águas residuais municipais, incluindo esgoto doméstico misturado com alguns resíduos industriais/comerciais, é remover sólidos suspensos e clarificar as águas residuais, para torná-las aptas para tratamento biológico. Depois de algum tratamento de pré-tratamento, como triagem, remoção de areia e cominuição, o principal processo de sedimentação primária é a sedimentação das águas residuais brutas em grandes tanques de decantação por períodos de até várias horas. Este processo remove de 50 a 75% do total de sólidos suspensos, que são retirados como um lodo de subfluxo coletado para tratamento separado. O efluente excedente do processo é então direcionado para tratamento secundário. Em certos casos, produtos químicos podem ser empregados para melhorar o grau de tratamento primário.

Tratamento secundário

A porção do conteúdo orgânico do efluente que é finamente suspensa ou dissolvida e não removida no processo primário, é tratada pelo tratamento secundário. As formas geralmente aceitas de tratamento secundário de uso comum incluem filtros biológicos, contatores biológicos como discos rotativos, lodo ativado, lagoas de estabilização de resíduos, sistemas de lagoas aeradas e métodos de aplicação no solo, incluindo sistemas de zonas úmidas. Todos esses sistemas serão reconhecidos como empregando processos biológicos de uma forma ou de outra. Os mais comuns desses processos são brevemente discutidos abaixo.

Sistemas de contator biológico. Os filtros biológicos são uma das formas mais antigas desse método para tratamento secundário e ainda são amplamente utilizados com alguns métodos de aplicação aprimorados. Nesse tratamento, o efluente dos tanques primários é aplicado uniformemente sobre um leito de mídia, como rocha ou mídia plástica sintética. A distribuição uniforme é conseguida tipicamente pelo gotejamento do líquido da tubulação perfurada girada sobre o leito de forma intermitente ou contínua de acordo com o processo desejado. Dependendo da taxa de cargas orgânicas e hidráulicas, os filtros biológicos podem remover até 95% do conteúdo orgânico, geralmente analisado como demanda bioquímica de oxigênio (DBO). Existem vários outros sistemas de contator biológico mais recentes em uso que podem fornecer remoções de tratamento na mesma faixa; alguns desses métodos oferecem vantagens especiais, particularmente aplicáveis ​​em certas condições limitantes, como espaço, clima e assim por diante. Deve-se notar que um tanque de decantação secundário seguinte é considerado uma parte necessária da conclusão do processo. Na sedimentação secundária, parte do chamado lodo de húmus é retirado como um subfluxo e o transbordamento é descarregado como um efluente secundário.

Lodo ativado. Na forma mais comum desse processo biológico, o efluente tratado primário flui para um tanque de unidade de lodo ativado contendo uma suspensão biológica previamente existente chamada lodo ativado. Esta mistura é referida como sólidos suspensos de licor misto (MLSS) e é fornecido um período de contato tipicamente variando de várias horas até 24 horas ou mais, dependendo dos resultados desejados. Durante este período, a mistura é altamente aerada e agitada para promover a atividade biológica aeróbica. Ao finalizar o processo, uma porção da mistura (MLSS) é retirada e devolvida ao afluente para continuação do processo de ativação biológica. A decantação secundária é fornecida após a unidade de lodo ativado com a finalidade de decantar a suspensão de lodo ativado e descarregar um excesso clarificado como efluente. O processo é capaz de remover até cerca de 95% da DBO afluente.

Tratamento terciário

Um terceiro nível de tratamento pode ser fornecido onde um maior grau de remoção de poluentes é necessário. Esta forma de tratamento pode normalmente incluir filtração de areia, lagoas de estabilização, métodos de disposição de solo, zonas úmidas e outros sistemas que estabilizam ainda mais o efluente secundário.

Desinfecção de efluentes

A desinfecção é comumente necessária para reduzir bactérias e patógenos a níveis aceitáveis. Cloração, dióxido de cloro, ozônio e luz ultravioleta são os processos mais comumente usados.

Eficiência geral da estação de tratamento de águas residuais

As águas residuais incluem uma ampla gama de constituintes que geralmente são classificados como sólidos suspensos e dissolvidos, constituintes inorgânicos e constituintes orgânicos.

A eficiência de um sistema de tratamento pode ser medida em termos da porcentagem de remoção desses constituintes. Parâmetros comuns de medição são:

• BOD: demanda bioquímica de oxigênio, medida em mg/l

• BACALHAU: demanda química de oxigênio, medida em mg/l

• TSS: sólidos suspensos totais, medidos em mg/l

• TDS: sólidos totais dissolvidos, medidos em mg/l

• formas de nitrogênio: incluindo nitrato e amônia, medido em mg/l (o nitrato é particularmente preocupante como nutriente na eutrofização)

• fosfato: medido em mg/l (também de particular preocupação como nutriente na eutrofização)

• pH: grau de acidez, medido como um número de 1 (mais ácido) a 14 (mais alcalino)

• contagem de bactérias coliformes: medido como o número mais provável por 100 ml (Escherichia e bactérias coliformes fecais são os indicadores mais comuns).

 

Tratamento de efluentes industriais

Tipos de resíduos industriais

Os resíduos industriais (não domésticos) são numerosos e variam muito em composição; eles podem ser altamente ácidos ou alcalinos e geralmente requerem uma análise laboratorial detalhada. Tratamento especializado pode ser necessário para torná-los inócuos antes da alta. A toxicidade é uma grande preocupação no descarte de efluentes industriais.

Resíduos industriais representativos incluem: celulose e papel, matadouro, cervejaria, curtume, processamento de alimentos, enlatados, produtos químicos, petróleo, têxteis, açúcar, lavanderia, carnes e aves, alimentação de suínos, processamento e muitos outros. A etapa inicial no desenvolvimento do projeto de tratamento é um levantamento de resíduos industriais, que fornece dados sobre as variações no fluxo e nas características dos resíduos. As características indesejáveis ​​dos resíduos listadas por Eckenfelder (1989) podem ser resumidas da seguinte forma:

• orgânicos solúveis causando depleção de oxigênio dissolvido

• sólidos em suspensão

• rastrear orgânicos

• metais pesados, cianeto e compostos orgânicos tóxicos

• cor e turbidez

• nitrogênio e fósforo

• substâncias refratárias resistentes à biodegradação

• óleo e material flutuante

• materiais voláteis.

 

A EPA dos EUA definiu ainda uma lista de produtos químicos orgânicos e inorgânicos tóxicos com limitações específicas na concessão de licenças de descarga. A lista inclui mais de 100 compostos e é muito longa para ser reimpressa aqui, mas pode ser solicitada à EPA.

Métodos de tratamento

O tratamento de resíduos industriais é mais especializado do que o tratamento de resíduos domésticos; no entanto, quando passíveis de redução biológica, eles geralmente são tratados usando métodos semelhantes aos descritos anteriormente (abordagens de tratamento biológico secundário/terciário) para sistemas municipais.

As lagoas de estabilização de resíduos são um método comum de tratamento de águas residuais orgânicas onde há área de terra suficiente disponível. As lagoas de escoamento são geralmente classificadas de acordo com sua atividade bacteriana como aeróbias, facultativas ou anaeróbicas. As lagoas aeradas são abastecidas com oxigênio por sistemas de aeração difusa ou mecânica.

A Figura 8 e a Figura 9 mostram esboços de lagoas de estabilização de resíduos.

Figura 8. Lagoa de estabilização de duas células: diagrama em corte transversal

Figura 9. Tipos de lagoas aeradas: diagrama esquemático

Prevenção da poluição e minimização de resíduos

Quando as operações e processos internos de resíduos industriais são analisados ​​em sua origem, eles geralmente podem ser controlados para evitar descargas poluentes significativas.

As técnicas de recirculação são abordagens importantes nos programas de prevenção da poluição. Um exemplo de estudo de caso é um plano de reciclagem para um efluente de curtume de couro publicado por Preul (1981), que incluiu a recuperação/reutilização de cromo juntamente com a recirculação completa de todos os efluentes de curtume sem efluente para qualquer fluxo, exceto em emergências. O diagrama de fluxo para este sistema é mostrado na figura 10.

Figura 10. Diagrama de fluxo para sistema de reciclagem de efluentes de curtumes

Para inovações mais recentes nesta tecnologia, o leitor deve consultar uma publicação sobre prevenção de poluição e minimização de resíduos da Water Environment Federation (1995).

Métodos avançados de tratamento de águas residuais

Vários métodos avançados estão disponíveis para graus mais altos de remoção de constituintes de poluição, conforme necessário. Uma listagem geral inclui:

filtração (areia e multimídia)

precipitação química

adsorção de carbono

eletrodiálise

destilação

nitrificação

colheita de algas

recuperação de efluentes

micro-esforço

decapagem de amônia

osmose reversa

troca iônica

aplicação de terra

desnitrificação

zonas úmidas.

O processo mais adequado para qualquer situação deve ser determinado com base na qualidade e quantidade das águas residuais brutas, nos requisitos de água receptora e, claro, nos custos. Para referência adicional, consulte Metcalf e Eddy 1991, que inclui um capítulo sobre tratamento avançado de águas residuais.

Estudo de caso de tratamento avançado de águas residuais

O estudo de caso do Projeto de Recuperação de Esgoto da Região de Dan, discutido em outra parte deste capítulo, fornece um excelente exemplo de métodos inovadores para tratamento e recuperação de águas residuais.

Poluição térmica

A poluição térmica é uma forma de resíduo industrial, definida como aumentos ou reduções deletérias nas temperaturas normais da água das águas receptoras causadas pelo descarte de calor de instalações feitas pelo homem. As indústrias que mais produzem calor residual são combustíveis fósseis (petróleo, gás e carvão) e usinas de geração de energia nuclear, siderúrgicas, refinarias de petróleo, fábricas de produtos químicos, fábricas de celulose e papel, destilarias e lavanderias. Uma preocupação particular é a indústria de geração de energia elétrica que fornece energia para muitos países (por exemplo, cerca de 80% nos EUA).

Impacto do calor residual nas águas receptoras

Influência na capacidade de assimilação de resíduos

• O calor aumenta a oxidação biológica.

• O calor diminui o teor de saturação de oxigênio da água e diminui a taxa de reoxigenação natural.

• O efeito líquido do calor é geralmente prejudicial durante os meses quentes do ano.

• O efeito do inverno pode ser benéfico em climas mais frios, onde as condições de gelo são quebradas e a aeração da superfície é fornecida para peixes e vida aquática.

 

Influência na vida aquática

Muitas espécies têm limites de tolerância à temperatura e precisam de proteção, particularmente em trechos de um córrego ou corpo d'água afetados pelo calor. Por exemplo, os riachos de água fria geralmente têm o tipo mais alto de peixes esportivos, como truta e salmão, enquanto as águas quentes geralmente suportam populações de peixes grosseiros, com certas espécies, como lúcios e robalos, em águas de temperatura intermediária.

Figura 11. Troca de calor nos limites de uma seção transversal de água receptora

Análise térmica em águas receptoras

A Figura 11 ilustra as várias formas de troca natural de calor nos limites de uma água receptora. Quando o calor é descarregado para uma água receptora, como um rio, é importante analisar a capacidade do rio para adições térmicas. O perfil de temperatura de um rio pode ser calculado resolvendo um balanço de calor semelhante ao usado no cálculo das curvas de queda de oxigênio dissolvido. Os principais fatores do balanço de calor são ilustrados na figura 12 para um trecho de rio entre os pontos A e B. Cada fator requer um cálculo individual dependente de certas variáveis ​​de calor. Assim como ocorre com o balanço de oxigênio dissolvido, o balanço de temperatura é simplesmente uma soma dos ativos e passivos de temperatura para uma determinada seção. Outras abordagens analíticas mais sofisticadas estão disponíveis na literatura sobre o assunto. Os resultados dos cálculos do balanço de calor podem ser usados ​​para estabelecer limitações de descarga de calor e possivelmente certas restrições de uso para um corpo de água.

Figura 12. Capacidade do rio para adições térmicas

Controle de poluição térmica

As principais abordagens para o controle da poluição térmica são:

• maior eficiência de operação da usina

• Torres de refrigeração

• lagoas de resfriamento isoladas

• consideração de métodos alternativos de geração de energia, como energia hidrelétrica.

 

Onde as condições físicas são favoráveis ​​dentro de certos limites ambientais, a energia hidrelétrica deve ser considerada como uma alternativa à geração de energia nuclear ou de combustível fóssil. Na geração de energia hidrelétrica, não há descarte de calor e não há descarga de águas residuais causando poluição da água.

Controle de Poluição de Águas Subterrâneas

Importância das águas subterrâneas

Uma vez que os suprimentos de água do mundo são amplamente extraídos de aquíferos, é muito importante que essas fontes de abastecimento sejam protegidas. Estima-se que mais de 95% do suprimento de água doce disponível na Terra seja subterrâneo; nos Estados Unidos aproximadamente 50% da água potável vem de poços, de acordo com o US Geological Survey de 1984. Como a poluição e o movimento das águas subterrâneas são de natureza sutil e invisível, às vezes é dada menos atenção à análise e controle dessa forma de degradação da água do que à poluição das águas superficiais, que é muito mais óbvia.

Figura 13. Ciclo hidrológico e fontes de contaminação das águas subterrâneas

Fontes de poluição subterrânea

A Figura 13 mostra o ciclo hidrológico com fontes sobrepostas de contaminação das águas subterrâneas. Uma lista completa das fontes potenciais de poluição subterrânea é extensa; no entanto, para ilustração, as fontes mais óbvias incluem:

• Descargas de Resíduos Industriais

• córregos poluídos em contato com aquíferos

• operações de mineração

• eliminação de resíduos sólidos e perigosos

• tanques de armazenamento subterrâneo, como para petróleo

• sistemas de irrigação

• recarga artificial

• invasão de água do mar

• derrames

• lagoas poluídas com fundos permeáveis

• poços de descarte

• campos de ladrilhos de tanques sépticos e poços de lixiviação

• perfuração de poço imprópria

• operações agrícolas

• sais de degelo para estradas.

 

Poluentes específicos na contaminação subterrânea são ainda categorizados como:

• constituintes químicos indesejáveis ​​(lista típica, não completa) - orgânicos e inorgânicos (por exemplo, cloreto, sulfato, ferro, manganês, sódio, potássio)

• dureza total e sólidos totais dissolvidos

• constituintes tóxicos (lista típica, não completa) - nitrato, arsênico, cromo, chumbo, cianeto, cobre, fenóis, mercúrio dissolvido

• características físicas indesejáveis ​​- sabor, cor e odor

• pesticidas e herbicidas - hidrocarbonetos clorados e outros

• materiais radioativos - várias formas de radioatividade

• biológicos - bactérias, vírus, parasitas e assim por diante

• ácido (pH baixo) ou cáustico (pH alto).

 

Dos anteriores, os nitratos são uma preocupação especial tanto nas águas subterrâneas como nas águas superficiais. No abastecimento de água subterrânea, os nitratos podem causar a doença metahemoglobinemia (cianose infantil). Eles ainda causam efeitos de eutrofização prejudiciais nas águas superficiais e ocorrem em uma ampla gama de recursos hídricos, conforme relatado por Preul (1991). Preul (1964, 1967, 1972) e Preul e Schroepfer (1968) também relataram o movimento subterrâneo de nitrogênio e outros poluentes.

Viagem de poluição no domínio subterrâneo

O movimento das águas subterrâneas é extremamente lento e sutil em comparação com o deslocamento das águas superficiais no ciclo hidrológico. Para uma compreensão simples do deslocamento das águas subterrâneas comuns sob condições ideais de fluxo constante, a Lei de Darcy é a abordagem básica para a avaliação do movimento das águas subterrâneas em baixos números de Reynolds (R):

V = K(dh/dl)

em que:

V = velocidade da água subterrânea no aquífero, m/dia

K = coeficiente de permeabilidade do aquífero

(dh/dl) = gradiente hidráulico que representa a força motriz do movimento.

No transporte de poluentes no subsolo, águas subterrâneas comuns (H₂O) é geralmente o fluido de transporte e pode ser calculado para se mover a uma taxa de acordo com os parâmetros da Lei de Darcy. No entanto, a taxa de deslocamento ou a velocidade de um poluente, como um produto químico orgânico ou inorgânico, pode ser diferente devido aos processos de advecção e dispersão hidrodinâmica. Certos íons se movem mais lentamente ou mais rápido do que a taxa geral de fluxo de água subterrânea como resultado de reações dentro do meio aquífero, de modo que podem ser categorizados como “reativos” ou “não reativos”. As reações são geralmente das seguintes formas:

• reações físicas entre o poluente e o aquífero e/ou o líquido de transporte

• reações químicas entre o poluente e o aquífero e/ou o líquido de transporte

• ações biológicas sobre o poluente.

 

Os seguintes são típicos de poluentes subterrâneos reativos e não reativos:

• poluentes reativos - cromo, íon amônio, cálcio, sódio, ferro e assim por diante; cátions em geral; constituintes biológicos; constituintes radioativos

• poluentes não reativos - cloreto, nitrato, sulfato e assim por diante; certos ânions; certos produtos químicos pesticidas e herbicidas.

 

A princípio, pode parecer que os poluentes reativos são o pior tipo, mas nem sempre é esse o caso, porque as reações detêm ou retardam as concentrações de deslocamento de poluentes, enquanto o deslocamento de poluentes não reativos pode ser amplamente desinibido. Certos produtos domésticos e agrícolas “suaves” estão agora disponíveis, que se degradam biologicamente após um período de tempo e, portanto, evitam a possibilidade de contaminação das águas subterrâneas.

Remediação de aquífero

A prevenção da poluição subterrânea é obviamente a melhor abordagem; no entanto, a existência descontrolada de condições de águas subterrâneas poluídas geralmente é divulgada após sua ocorrência, como por reclamações de usuários de poços de água na área. Infelizmente, no momento em que o problema é reconhecido, danos graves podem ter ocorrido e a correção é necessária. A remediação pode exigir extensas investigações de campo hidrogeológicas com análises laboratoriais de amostras de água para estabelecer a extensão das concentrações de poluentes e plumas de deslocamento. Freqüentemente, os poços existentes podem ser usados ​​na amostragem inicial, mas casos graves podem exigir extensas perfurações e amostragens de água. Esses dados podem então ser analisados ​​para estabelecer as condições atuais e fazer previsões de condições futuras. A análise do curso da contaminação das águas subterrâneas é um campo especializado que geralmente requer o uso de modelos de computador para entender melhor a dinâmica das águas subterrâneas e fazer previsões sob várias restrições. Vários modelos de computador bidimensionais e tridimensionais estão disponíveis na literatura para esse fim. Para abordagens analíticas mais detalhadas, o leitor deve consultar o livro de Freeze e Cherry (1987).

Prevenção de poluição

A abordagem preferida para a proteção dos recursos hídricos subterrâneos é a prevenção da poluição. Embora os padrões de água potável geralmente se apliquem ao uso de fontes de água subterrânea, as fontes de água bruta requerem proteção contra contaminação. Entidades governamentais como ministérios da saúde, agências de recursos naturais e agências de proteção ambiental são geralmente responsáveis ​​por tais atividades. Os esforços de controle da poluição das águas subterrâneas são amplamente direcionados à proteção dos aquíferos e à prevenção da poluição.

A prevenção da poluição requer controles de uso da terra na forma de zoneamento e certos regulamentos. As leis podem se aplicar à prevenção de funções específicas como particularmente aplicáveis ​​a fontes pontuais ou ações que potencialmente podem causar poluição. O controle pelo zoneamento do uso da terra é uma ferramenta de proteção das águas subterrâneas que é mais eficaz no nível municipal ou municipal de governo. Os programas de proteção de aquíferos e poços, conforme discutido abaixo, são exemplos importantes de prevenção da poluição.

Um programa de proteção de aquífero requer o estabelecimento dos limites do aquífero e suas áreas de recarga. Os aquíferos podem ser do tipo não confinado ou confinado e, portanto, precisam ser analisados ​​por um hidrólogo para fazer essa determinação. A maioria dos aquíferos principais são geralmente bem conhecidos nos países desenvolvidos, mas outras áreas podem exigir investigações de campo e análises hidrogeológicas. O elemento chave do programa na proteção do aquífero contra a degradação da qualidade da água é o controle do uso da terra sobre o aquífero e suas áreas de recarga.

A proteção da boca do poço é uma abordagem mais definitiva e limitada que se aplica à área de recarga que contribui para um determinado poço. O governo federal dos Estados Unidos, por meio de emendas aprovadas em 1986 à Lei da Água Potável Segura (SDWA) (1984), agora exige que áreas específicas de proteção de poços sejam estabelecidas para poços de abastecimento público. A área de proteção da boca do poço (WHPA) é definida no SDWA como “a área de superfície e subsuperfície ao redor de um poço de água ou campo de poço, abastecendo um sistema público de abastecimento de água, através do qual os contaminantes são razoavelmente prováveis ​​de se mover e atingir tal poço ou poço de água. campo." O principal objetivo do programa WHPA, conforme descrito pela US EPA (1987), é o delineamento de áreas de proteção de poços com base em critérios selecionados, operação de poços e considerações hidrogeológicas.

 

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