O objetivo principal do tratamento de águas residuais urbanas é remover poluentes como COD, BOD₅, TN e TP das águas residuais para atender aos padrões de descarga (adesão geral ao padrão Classe A do "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Urbanas" GB 18918-2002). Os processos convencionais atuais estão centrados no tratamento biológico, combinado com unidades de pré-tratamento e tratamento avançado, formando um processo completo de "pré-tratamento - tratamento central - tratamento avançado - eliminação de lodo". A seguir, é apresentada uma introdução detalhada aos seis processos mais utilizados, abrangendo seus princípios, parâmetros-chave, vantagens e desvantagens e cenários aplicáveis, ao mesmo tempo em que considera detalhes técnicos e viabilidade de engenharia.
I. Processo Básico Clássico: Processo Tradicional de Lodo Ativado
1. Princípio do Processo
Usando lodo ativado como núcleo, sob condições aeróbicas, os microrganismos adsorvem e degradam poluentes orgânicos nas águas residuais, alcançando a purificação das águas residuais por meio da separação do lodo-da água. Processo central: Tela de barra → Câmara de areia → Tanque de sedimentação primário → Tanque de aeração → Tanque de sedimentação secundário → Desinfecção e descarga; o lodo residual é concentrado, desidratado e depois descartado.
2. Principais parâmetros de design
* Tempo de Retenção Hidráulica (TRH): 8-12h, com TRH Maior ou igual a 6h no tanque de aeração;
* Tempo de Retenção de Lodo (SRT): 3-5d (aplicável apenas para remoção de matéria orgânica, sem funções de remoção de nitrogênio e fósforo);
* Carga Orgânica (F/M): 0,2-0,4kgBOD₅/(kgMLSS·d);
* Concentração de DO no tanque de aeração: 2-3mg/L, utilizando aeração forçada ou aeração mecânica.
3. Vantagens e Desvantagens
* Vantagens: Tecnologia madura, operação estável, alta eficiência no tratamento de matéria orgânica (taxa de remoção de DBO₅ 85% -90%) e custo de investimento relativamente baixo;
* Desvantagens: Não possui funções de remoção de nitrogênio e fósforo, dificultando o atendimento aos padrões atuais de Classe A; grande produção de lodo, com tendência a aglomeração filamentosa; grande pegada e consumo de energia relativamente alto.
4. Cenários Aplicáveis
* Adequado para estações de tratamento de águas residuais{0}}construídas com baixos padrões de descarga ou como unidade de pré-tratamento para águas residuais industriais; atualmente, raramente é utilizado sozinho em novos projetos, mas principalmente como módulo básico para melhoria de processos.
II. Principais processos simultâneos de remoção de nitrogênio e fósforo: A²O e processos modificados
1. Princípio do Processo
O processo A²O (Anaeróbico-Anóxico-Aeróbico) consegue a remoção simultânea de nitrogênio e fósforo por meio da ação sinérgica de três zonas: bactérias acumuladoras de fósforo-liberam fósforo na zona anaeróbica, bactérias desnitrificantes removem nitrogênio na zona anóxica e bactérias nitrificantes nitrificam e bactérias acumuladoras de fósforo-absorvem fósforo na zona aeróbica. A versão modificada (com a adição de um tanque pré-anóxico) resolve o problema de competição de fontes de carbono entre a desnitrificação e a remoção de fósforo, potencializando o efeito de remoção de nitrogênio e fósforo. Processo principal: Pré-tratamento → Tanque anaeróbico → Tanque pré-anóxico → Tanque anóxico → Tanque aeróbico → Tanque de sedimentação secundário → Tratamento avançado → Descarga.
2. Principais parâmetros de design
TRH total: 10-12h, relação TRH anaeróbio:anóxico:aeróbio=1:3:5;
Tempo de Retenção de Lodo (SRT): 10-12 dias em temperatura ambiente, 15 dias em baixa temperatura (para equilibrar os requisitos de nitrificação e remoção de fósforo);
Taxa de recirculação: Taxa de recirculação de licor misto 200%-300% (frequência variável ajustável), taxa de recirculação de lodo 50%-80%;
Controle DO: Zona anaeróbica menor ou igual a 0,2mg/L, zona anóxica menor ou igual a 0,5mg/L, zona aeróbica 2-3mg/L.
3. Vantagens e Desvantagens
Vantagens: Excelente eficiência de remoção de nitrogênio e fósforo (taxa de remoção de TN 70% -80%, taxa de remoção de TP 80% -90%), atendendo consistentemente aos padrões de Classe A; tecnologia madura, custo operacional moderado, adequada para águas residuais municipais com grandes flutuações na qualidade da água;
Desvantagens: Existem inconsistências de parâmetros entre a remoção de nitrogênio e fósforo (SRT, conflito de requisitos de taxa de recirculação); águas residuais de baixa{0}}fonte de carbono requerem adição de fonte externa de carbono; pegada um pouco maior.
4. Cenários Aplicáveis
Atualmente é o processo preferido para novas construções, expansões e modernização de estações de tratamento de águas residuais urbanas, especialmente adequado para projetos de águas residuais municipais que requerem controlo simultâneo de emissões de azoto e fósforo. Também pode ser adaptado a águas residuais complexas contendo pequenas quantidades de águas residuais industriais (é necessário um ajuste do coeficiente de biodegradabilidade).
III. Processo compacto e-de alta eficiência: processo MBR (biorreator de membrana)
1. Princípio do Processo
Esse processo combina tecnologia de separação por membrana com tratamento biológico, substituindo o tanque de sedimentação secundário por módulos de membrana para obter uma separação eficiente de lodo-de água. Fluxo central: Pré-tratamento → Tanque biológico (podem ser usadas configurações A²O, SBR, etc.) → Tanque de membrana → Desinfecção e descarga. Os módulos de membrana podem reter microrganismos, mantendo uma alta concentração de MLSS no tanque biológico e melhorando a nitrificação e a remoção de matéria orgânica.
2. Principais parâmetros de design
Concentração MLSS: 6000-8000 mg/L (significativamente superior aos processos tradicionais);
Tempo de retenção de lodo (SRT): 20-30 dias (nitrificação aprimorada, adequado para águas residuais de baixa temperatura e baixa C/N);
Fluxo da Membrana: 10-20 L/(m²·h), necessitando de limpeza física/química regular;
Consumo de energia: 0,6-1,0 kWh/m³ (incluindo consumo de energia de aeração e sucção por membrana).
3. Vantagens e Desvantagens
Vantagens: Excelente qualidade do efluente (TN menor ou igual a 8 mg/L, TP menor ou igual a 0,3 mg/L), atendendo aos requisitos de atualização para qualidade de água próxima à-Classe IV; a pegada é apenas 1/3-1/2 da dos processos tradicionais; nenhum risco de perda de lodo, alta estabilidade operacional;
Desvantagens: Alto custo do módulo de membrana (representando 30%-40% do investimento total); manutenção complexa (propenso a entupimento), altos custos operacionais; maior consumo de energia do que os processos biológicos tradicionais.
4. Cenários Aplicáveis
Adequado para áreas centrais urbanas com recursos terrestres limitados, projetos de modernização com padrões rigorosos de efluentes ou cenários especiais de qualidade da água, como baixa temperatura e baixa relação C/N; também aplicável ao tratamento descentralizado de águas residuais (por exemplo, comunidades residenciais, parques industriais).
4. Processo Resistente a Cargas de Choque: Processo de Vala de Oxidação
1. Princípio do Processo
Utilizando um reator de vala-em forma de anel, as águas residuais circulam dentro da vala por meio de escovas ou discos rotativos para aeração, criando zonas aeróbicas e anóxicas alternadas para alcançar a degradação e desnitrificação da matéria orgânica. As configurações comuns incluem valas de oxidação Carrossel, valas de oxidação Orbal e valas de oxidação integradas (incluindo tanques de sedimentação secundários).
2. Principais parâmetros de design
HRT total: 15-25h (longo tempo de retenção hidráulica, forte resistência a cargas de choque);
Tempo de Retenção de Lodo (SRT): 10-20d (adequado para requisitos de remoção de nitrogênio);
Carga Orgânica (F/M): 0,05-0,15kgBOD₅/(kgMLSS·d);
Oxigênio Dissolvido: Distribuição gradual dentro da vala (2-3mg/L na zona aeróbica, 0,5-1mg/L na zona anóxica).
3. Vantagens e Desvantagens
Vantagens: Resistência extremamente forte a cargas de choque, adequada para águas residuais com grandes oscilações na qualidade e quantidade da água; operação e gerenciamento simples, baixos custos de manutenção; bom efeito de remoção de nitrogênio (taxa de remoção de TN 70%-75%);
Desvantagens: Fraco efeito de remoção de fósforo (requer remoção química auxiliar de fósforo); grande área ocupada, alto consumo de energia; flexibilidade operacional insuficiente.
4. Cenários Aplicáveis
Adequado para estações de tratamento de águas residuais em cidades-de pequeno e médio porte (volume de 50.000 a 500.000 m³/d), águas residuais complexas com grandes flutuações na qualidade da água (incluindo uma pequena quantidade de águas residuais industriais) ou projetos com recursos limitados de operação e gerenciamento.
V. Processos Intermitentes Flexíveis: SBR (Sequencing Batch Reactor) e Processos Modificados
1. Princípio do Processo
Utilizando um reator intermitente, cinco etapas são concluídas dentro de um mesmo tanque: afluente, aeração (aeróbia), sedimentação, descarga de efluentes e período ocioso. A degradação da matéria orgânica e a remoção de nitrogênio e fósforo são alcançadas através da alocação de tempo. Versões modificadas (processos CAST, CASS) adicionam uma zona de seleção e uma zona de pré-reação para melhorar o desempenho de sedimentação de lodo e a eficiência de remoção de fósforo.
2. Principais parâmetros de design:
Um ciclo operacional: 4-6 horas (incluindo 2-3 horas de aeração e 1-1,5 horas de sedimentação);
Tempo de Retenção de Lodo (SRT): 10-15 dias;
Concentração de MLSS: 3000-5000 mg/L;
Proporção de drenagem: 1/3-1/2 (cada drenagem não deve exceder 1/2 do volume do tanque).
3. Vantagens e Desvantagens
Vantagens: Ocupa pouco espaço (não há necessidade de tanque de sedimentação secundário separado); operação flexível, com parâmetros de ciclo ajustáveis com base na qualidade da água; adequado para volumes de água pequenos a médios, permitindo a remoção simultânea de nitrogênio e fósforo.
Desvantagens: Elevados requisitos de controle automatizado (requer controle preciso do tempo de cada estágio); estabilidade insuficiente da qualidade do efluente, facilmente afetada pelos parâmetros operacionais; desgaste rápido do equipamento (partida-frequente de válvulas e bombas).
4. Cenários Aplicáveis
Adequado para estações de tratamento de águas residuais de cidades de pequeno e médio porte (volume de água menor ou igual a 100.000 m³/d), projetos descentralizados de tratamento de águas residuais (como comunidades e parques industriais) ou cenários com flutuações significativas na qualidade da água que exigem ajuste flexível dos modos de operação.
VI. Novo processo de-economia de energia e alta{2}}eficiência: Processo de multiplicação biológica BioDopp
1. Princípio do Processo
Integra todas as etapas do tratamento biológico (degradação de DQO, remoção de nitrogênio, remoção de fósforo, estabilização de lodo) em um único tanque biológico. Através do projeto zoneado e de um sistema de aeração de alta{1}}eficiência, a remoção simultânea de nitrogênio e fósforo e a redução de lodo são alcançadas. O principal destaque é o sistema de aeração BioDopp (aeração de espuma fina de grande-área), que possui alta eficiência de transferência de oxigênio e é de fácil manutenção.
2. Principais parâmetros de design
Consumo de energia: 0,075 kWh/m³ (significativamente inferior aos processos tradicionais, demonstrando vantagens substanciais-de economia de energia);
Concentração MLSS: 8 g/L (alta concentração de lodo, aumentando a eficiência do tratamento);
Eficiência de transferência de oxigênio: 5 kgO₂/kWh, demanda de oxigênio 0,2-0,3 mg/L;
TRH total: 8-12 h, adequado para necessidades rotineiras de tratamento de águas residuais municipais.
3. Vantagens e Desvantagens
Vantagens: Excelente efeito-de economia de energia (o consumo de energia é de apenas 1/5-1/8 dos processos tradicionais); alta integração, área ocupada pequena; baixa produção de lodo, eliminando a necessidade de descarte complexo de lodo; fácil manutenção do sistema de aeração (pode ser limpo online, sem tempo de inatividade); Desvantagens: Alto limite técnico, o equipamento principal depende de importações; adequado para qualidades específicas de água, a adaptabilidade a águas residuais com alto teor de sal e recalcitrantes necessita de verificação adicional.
4. Cenários Aplicáveis
Adequado para estações de tratamento de águas residuais municipais recém-construídas (buscando conservação de energia e redução do consumo) e projetos de tratamento de águas residuais de parques industriais. Foi aplicado com sucesso na Alemanha, na República Checa e nas províncias de Xangai e Hebei no meu país.
VII. Lógica Central de Seleção de Processos
A selecção de processos para estações de tratamento de águas residuais urbanas requer uma consideração abrangente de cinco factores principais: características de qualidade da água, padrões de descarga, volume de água, recursos terrestres e custos operacionais. A lógica central é a seguinte:
- Padrões de qualidade e descarga da água: Para a remoção simultânea de nitrogênio e fósforo para atender aos padrões de Classe A, os processos modificados de A²O e MBR são preferidos; para a atualização para uma qualidade de água próxima da Classe IV, os processos MBR são preferidos; para qualidade da água com grandes flutuações, são preferidos processos de vala de oxidação e SBR modificado.
- Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500 mil m³/d) priorizam processos de A²O modificado e valas de oxidação; estações de tratamento de águas residuais-de pequeno e médio porte (10.000-500.000 m³/d) podem escolher processos A²O, SBR modificado ou BioDopp; projetos descentralizados (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
- Terrenos e custos: Em áreas centrais urbanas onde os terrenos são escassos, os processos MBR, SBR e BioDopp são preferidos; para orçamentos limitados, são preferidos processos de A²O modificados e valas de oxidação; para economia de energia-de longo prazo, os processos BioDopp podem ser considerados.
- Operação e Gestão: Para plantas com capacidades operacionais e de gestão limitadas, são preferidos valas de oxidação e processos A²O modificados (simples de operar); para aqueles com níveis mais elevados de automação, os processos MBR e SBR modificados são adequados.
Em resumo, o processo A²O modificado, com as suas vantagens de remoção estável de azoto e fósforo, custo moderado e ampla adaptabilidade, continua a ser a escolha principal para estações de tratamento de águas residuais urbanas; o processo MBR é adequado para requisitos de atualização e layout compacto; e processos mais recentes, como o BioDopp, oferecem novas direções para a conservação de energia e redução de emissões, e os seus cenários de aplicação irão expandir-se gradualmente no futuro.
