Prefácio: As águas residuais contêm muitos indicadores e a alcalinidade é um dos menos perceptíveis. Ao contrário de outros indicadores (como DQO e DBO), não aparece com tanta frequência, mas desempenha um papel crucial no comissionamento de estações de tratamento de águas residuais, servindo como indicador orientador para processos como hidrólise anaeróbica e desnitrificação.
A alcalinidade nas águas residuais é um dos principais parâmetros que afetam a eficiência do tratamento de águas residuais, desempenhando um papel fundamental, especialmente no tratamento biológico, nas reações de neutralização e na estabilização da qualidade da água. Hoje, exploraremos a definição, as fontes, o significado orientador dos processos de tratamento de água e as técnicas de detecção de alcalinidade comumente usadas, fornecendo suporte teórico para o controle científico do tratamento de águas residuais.
I. O conceito e as fontes de alcalinidade em águas residuais
1. Definição de Alcalinidade
A alcalinidade das águas residuais refere-se à quantidade total de substâncias alcalinas na água capazes de neutralizar ácidos fortes. É composto principalmente de bicarbonato (HCO₃⁻), carbonato (CO₃²⁻), hidróxido (OH⁻) e alguns ânions de ácidos fracos (como fosfatos e silicatos). Sua unidade é mg/L (calculada como CaCO₃), refletindo a capacidade das águas residuais de amortecer as alterações de pH. Além disso, a alcalinidade fornece uma fonte de carbono inorgânico, principalmente para microrganismos heterotróficos (como bactérias nitrificantes).
2. Fontes de Alcalinidade em Águas Residuais
Esgoto Doméstico: Decomposição de matéria orgânica em esgoto doméstico, infiltração de águas subterrâneas, etc.
Águas Residuais Industriais: Águas Residuais Químicas e Farmacêuticas (contendo resíduos de reagentes alcalinos); Águas residuais de processamento de alimentos (contendo nitrogênio amoniacal proveniente da decomposição de proteínas e gorduras); Águas residuais de tratamento de superfícies metálicas (contendo agentes de limpeza alcalinos).
Controle Humano: Adição de cal (CaO), carbonato de sódio (Na₂CO₃) e outros agentes durante o tratamento de águas residuais.
II. Papel orientador da alcalinidade no tratamento de águas residuais
1. Manutenção da estabilidade dos sistemas de tratamento biológico
Processo de Lodo Ativado: Bactérias nitrificantes consomem alcalinidade durante a nitrificação (7,14 mg de alcalinidade de CaCO₃ são necessárias para nitrificar 1 mg de NH₃-N). A alcalinidade insuficiente leva à diminuição do pH, inibindo a atividade microbiana, sendo necessária a adição de bicarbonato de sódio (NaHCO₃) ou cal.
Digestão Anaeróbica: Os metanógenos são sensíveis ao pH (pH ideal 6,5-7,5). A alcalinidade (HCO₃⁻) neutraliza os ácidos graxos voláteis (AGV) e evita a acidificação. Alcalinidade > 2.000 mg/L é normalmente necessária para manter a estabilidade do sistema.
2. Parâmetros-chave dos processos de tratamento químico
Precipitação Química: Por exemplo, a remoção de fosfatos pela adição de cal (formando hidroxiapatita) requer alcalinidade suficiente para promover a reação de precipitação.
Reação de neutralização: Águas residuais ácidas (como águas residuais de galvanoplastia) requerem a adição de substâncias alcalinas (NaOH, CaCO₃) para ajustar o pH. A alcalinidade determina a dosagem do reagente.
3. Prevenção de corrosão e incrustação de equipamentos
Baixo risco de alcalinidade: Quando o pH das águas residuais é < 6,5, os tubos e reatores são facilmente corroídos pelo ácido, liberando metais pesados (como ferro e chumbo).
Alto risco de alcalinidade: Quando pH > 8,3, os íons de cálcio e magnésio formam facilmente incrustações de carbonato, obstruindo tubos ou sistemas de membrana.
4. Otimizando a eficiência da remoção de nitrogênio e fósforo
Processo de desnitrificação: As bactérias desnitrificantes requerem uma fonte de carbono e alcalinidade adequada (pH 7-8). A recuperação da alcalinidade pode compensar parcialmente o consumo de alcalinidade durante a fase de nitrificação.
Remoção biológica de fósforo: bactérias-acumuladoras de polifosfato liberam e absorvem fósforo em ambientes alternados anaeróbicos/aeróbicos. As flutuações de alcalinidade podem afetar sua atividade metabólica.
III. Métodos para detecção de alcalinidade em águas residuais
1. Método de Titulação (Método Padrão)
Princípio: Titule a amostra de água com um ácido forte padrão (por exemplo, H₂SO₄) e determine o ponto final pela mudança de cor de um indicador.
Passos: 1. Ponto final da fenolftaleína (pH 8,3): Determinar a quantidade total de OH⁻ e CO₃²⁻; 2. Ponto final do laranja de metila (pH 4,5): Determine a alcalinidade total de HCO₃⁻ e CO₃²⁻.
Aplicabilidade: Determinação laboratorial precisa, mas a interferência de sólidos suspensos deve ser eliminada (a amostra de água deve ser filtrada previamente).
2. Titulação Potenciométrica Automatizada
Este método utiliza um eletrodo de pH para monitorar o processo de titulação em tempo real e calcula automaticamente a alcalinidade usando software. É adequado para amostras de águas residuais com alta-cor ou turvas.
3. Tecnologias de monitoramento on-line
Método-de eletrodo seletivo de íons: esse método mede diretamente a alcalinidade no afluente da estação de tratamento de águas residuais usando um eletrodo seletivo de HCO₃⁻, permitindo o monitoramento-em tempo real.
Método espectroscópico: a espectroscopia no-infravermelho próximo combinada com um modelo quimiométrico permite a previsão rápida da alcalinidade, adequada para cenários de tratamento de águas residuais industriais.
4. Método de cálculo (estimativa indireta)
Este método mede as concentrações de pH, CO₂, HCO₃⁻ e CO₃²⁻ de águas residuais e calcula a alcalinidade teórica usando a fórmula de equilíbrio de ácido carbônico. É adequado para pesquisa ou simulação de processos.
4. Estratégias para controlar a alcalinidade em águas residuais
1. Soluções para Baixa Alcalinidade
Adicionando Agentes Alcalinos
Cal (CaO): Baixo custo, mas pode aumentar a produção de lodo;
Hidróxido de Sódio (NaOH): Reação rápida, indicado para ajuste emergencial de alcalinidade;
Bicarbonato de Sódio (NaHCO₃): alcalinidade-de liberação lenta, adequado para sistemas de tratamento biológico.
Restaurando a alcalinidade através da desnitrificação
Nos processos de desnitrificação, a redução de 1 mg NO₃⁻-N durante a desnitrificação gera 3,57 mg de alcalinidade de CaCO₃.
2. Soluções para Alta Alcalinidade
Adição de substâncias ácidas: ácido sulfúrico (H₂SO₄), ácido clorídrico (HCl) ou gás CO₂ (baixo custo, sem poluição secundária).
Decapagem de Aeração: Remoção de CO₂ por meio de aeração para reduzir a concentração de HCO₃⁻, adequado para águas residuais com alta alcalinidade de carbonato.