thumb|upright|Tanque de lodo ativado na estação de tratamento de esgoto de Beckton, Reino Unido. As bolhas brancas são provenientes do sistema de aeração por difusão de ar.
O processo de lodo ativado é um tipo de processo biológico de tratamento de águas residuais para o tratamento de esgoto ou efluentes industriais, utilizando aeração e um floco biológico composto por bactérias e protozoários. É uma das diversas alternativas de tratamento biológico de águas residuais no tratamento secundário, que se concentra na remoção de matéria orgânica biodegradável e sólidos em suspensão. Utiliza ar (ou oxigênio) e microrganismos para oxidar biologicamente os poluentes orgânicos, produzindo um lodo residual (ou floco) contendo o material oxidado.
O processo de lodos ativados para remoção de poluentes carbonáceos inicia-se com um tanque de aeração, onde ar (ou oxigênio) é injetado na água residual. Em seguida, o efluente passa por um tanque de decantação para permitir que os flocos biológicos (a camada de lodo) se depositem, separando assim o lodo biológico da água tratada. Parte do lodo residual é reciclada para o tanque de aeração e o restante é removido para tratamento posterior e posterior descarte.
Os tipos de estações de tratamento incluem estações compactas, valas de oxidação, tratamento vertical/de poço profundo, bacias de aeração superficial e reatores de batelada sequencial (RBSs). Os métodos de aeração incluem aeração difusa, aeradores de superfície (cones) ou, raramente, aeração com oxigênio puro.
O inchamento do lodo pode ocorrer, o que dificulta a sedimentação do lodo ativado e frequentemente tem um impacto adverso na qualidade final do efluente. O tratamento do inchamento do lodo e o gerenciamento da estação para evitar sua recorrência exigem gestão especializada e podem requerer pessoal em tempo integral para permitir intervenção imediata. Um novo desenvolvimento do processo de lodo ativado é o processo Nereda, que produz um lodo granular que sedimenta muito bem.
Propósito thumb|upright=1.25|Diagrama esquemático e generalizado de um processo de lodo ativado. thumb|Adição de lodo ativado (semeadura) a um biorreator de membrana em escala piloto na Alemanha. thumb|Lodo ativado visto ao microscópio thumb|Foto aérea da estação de tratamento de águas residuais de Kuryanovo em Moscou, Rússia O processo de lodo ativado é um processo biológico utilizado para oxidar matéria biológica carbonácea, matéria nitrogenada oxidante (principalmente amônio e nitrogênio) em matéria biológica e removendo nutrientes (nitrogênio e fósforo).
Descrição do processo
O processo aproveita microrganismos aeróbicos que conseguem digerir a matéria orgânica presente no esgoto e se aglomeram por floculação, aprisionando partículas finas durante esse processo. Dessa forma, produz um líquido relativamente livre de sólidos em suspensão e matéria orgânica, além de partículas floculadas que se depositam facilmente e podem ser removidas.
A estrutura geral de um processo de lodo ativado para remoção de poluentes carbonáceos inclui os seguintes itens: Tanque de aeração onde ar (ou oxigênio) é injetado na mistura líquida. Tanque de decantação (geralmente chamado de "clarificador final" ou "tanque de decantação secundária") para permitir que os flocos biológicos (a camada de lodo) se depositem, separando assim o lodo biológico da água tratada e límpida.
O tratamento de matéria nitrogenada ou fosforada consiste na adição de um compartimento anóxico dentro do tanque de aeração para que o processo de nitrificação-desnitrificação ocorra de forma mais eficiente. Primeiramente, a amônia é oxidada a nitrito, que é então convertido em nitrato em condições aeróbicas (compartimento de aeração). Bactérias facultativas reduzem o nitrato a nitrogênio gasoso em condições anóxicas (compartimento anóxico). Além disso, os organismos responsáveis pela absorção de fósforo (Organismos Acumuladores de Polifosfato) são mais eficientes em condições anóxicas. Esses microrganismos acumulam grandes quantidades de fosfatos em suas células e se depositam no decantador secundário. O lodo decantado é descartado como lodo ativado residual ou reutilizado no tanque de aeração como lodo ativado de retorno. Uma certa quantidade de lodo deve sempre ser retornada aos tanques de aeração para manter uma população adequada de organismos.
A produção de OAPs (Organismos Acumuladores de Polifosfato) é reduzida entre 70 e 80% em condições aeróbicas. Embora o fósforo possa ser removido a montante do tanque de aeração por precipitação química (adição de íons metálicos como cálcio, alumínio ou ferro), a remoção biológica de fósforo é mais econômica devido à economia de produtos químicos.
Biorreator e clarificador final
O processo envolve a introdução de ar ou oxigênio em uma mistura de esgoto ou efluente industrial tratado primariamente e filtrado, combinada com organismos para desenvolver uma floculação biológica que reduz o teor de orgânicos do esgoto. Esse material, que em lodo saudável é um floco marrom, é composto principalmente por bactérias saprófitas, mas também possui um importante componente de flora protozoária, composto principalmente por amebas, espirotríquios, peritríquios, incluindo vorticelas e uma variedade de outras espécies filtradoras. Outros constituintes importantes incluem rotíferos móveis e sedentários. Em lodo ativado mal gerenciado, uma variedade de bactérias filamentosas mucilaginosas podem se desenvolver, incluindo Sphaerotilus natans e Gordonia, e outros microrganismos – que produzem um lodo de difícil sedimentação, podendo resultar na decantação da camada de lodo sobre os vertedouros do tanque de decantação, contaminando severamente a qualidade do efluente final. Esse material é frequentemente descrito como fungo de esgoto, mas verdadeiras comunidades fúngicas são relativamente incomuns.
A combinação de águas residuais e massa biológica é comumente conhecida como "licor misto". Em todas as estações de tratamento de lodo ativado, após o tratamento adequado das águas residuais, o excesso de licor misto é descarregado em tanques de decantação e o sobrenadante tratado é encaminhado para tratamento adicional antes do descarte. Parte do material sedimentado, o lodo, retorna ao início do sistema de aeração para repovoar as novas águas residuais que entram no tanque. Essa fração do floco é chamada de "lodo ativado de retorno" (LAR).
O espaço necessário para uma estação de tratamento de esgoto pode ser reduzido com o uso de um biorreator de membrana para remover parte das águas residuais do licor misto antes do tratamento. Isso resulta em um efluente mais concentrado que pode então ser tratado pelo processo de lodos ativados.
Muitas estações de tratamento de esgoto utilizam bombas de fluxo axial para transferir o licor misto nitrificado da zona de aeração para a zona anóxica para a desnitrificação. Essas bombas são frequentemente chamadas de bombas de recirculação interna de licor misto (bombas IMLR). O esgoto bruto (abreviado na literatura em inglês como RAS, de raw sewage) o lodo ativado e o licor misto nitrificado são misturados por misturadores submersíveis nas zonas anóxicas para realizar a desnitrificação.
Produção de lodo Lodo ativado também é o nome dado ao material biológico ativo produzido por estações de tratamento de lodo ativado. O lodo excedente é chamado de "lodo ativado excedente" ou "lodo ativado residual" e é removido do processo de tratamento para manter a relação "alimento para biomassa" (A/B) em equilíbrio (onde biomassa se refere ao lodo ativado). Esse lodo de esgoto geralmente é misturado com o lodo primário dos decantadores primários e submetido a tratamentos de esgoto adicionais, como por exemplo digestão anaeróbica, seguidos de espessamento, desidratação, compostagem e aplicação no solo.
A quantidade de lodo de esgoto produzida pelo processo de lodos ativados é diretamente proporcional à quantidade de águas residuais tratadas. A produção total de lodo consiste na soma do lodo primário proveniente dos tanques de sedimentação primária e do lodo ativado residual dos biorreatores. O processo de lodo ativado produz cerca de 70 a 100 gramas por metro cúbico de lodo ativado residual (ou seja, gramas de sólidos secos produzidos por metro cúbico de efluente tratado). 80 gramas por metro cúbico é considerado um valor típico. Além disso, são produzidos cerca de 110 a 170 gramas por metro cúbico de lodo primário nos tanques de sedimentação primária, que são utilizados na maioria das configurações do processo de lodo ativado, embora não em todas.
Controle de processo
O método geral de controle do processo consiste em monitorar o nível do manto de lodo, o IVL (Índice Volumétrico de Lodo), o TMC (Tempo Médio de Retenção Celular), a relação A/M (Alimento/Microrganismo), bem como a biota do lodo ativado e os principais nutrientes: OD (Oxigênio Dissolvido), nitrogênio, fosfato, DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) e DQO (Demanda Química de Oxigênio). No sistema de reator/aerador e clarificador, o manto de lodo é medido desde o fundo do clarificador até o nível de sólidos sedimentados na coluna d'água do clarificador; em grandes estações de tratamento, essa medição pode ser feita até três vezes ao dia.
O Índice Volumétrico de Lodo (IVL) é o volume de lodo sedimentado ocupado por uma determinada massa de sólidos secos de lodo. É calculado dividindo-se o volume de lodo sedimentado em uma amostra de licor misto, medido em mililitros por litro de amostra (após 30 minutos de sedimentação), pela Sólidos Suspensos Totais (SST), medida em gramas por litro. O MCRT é a massa total (em quilogramas ou libras) de sólidos suspensos no licor misto no aerador e clarificador, dividida pela vazão mássica (em quilogramas/libras por dia) de sólidos suspensos no licor misto que saem como lodo ativado e efluente final. A relação A/M é a proporção entre a quantidade de alimento fornecida aos microrganismos diariamente e a massa de microrganismos mantida sob aeração. Especificamente, é a quantidade de DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) fornecida ao aerador (em quilogramas/libras por dia) dividida pela quantidade (em quilogramas ou libras) de Sólidos Voláteis em Suspensão no Licor Misto (SVLS) sob aeração. Nota: Algumas referências utilizam SVLS (Sólidos em Suspensão no Licor Misto) por conveniência, mas o SVLS é considerado mais preciso para a medição de microrganismos. Novamente, devido à conveniência, DQO Geralmente é utilizado, em vez de DBO, pois o DBO leva cinco dias para apresentar resultados.
Para garantir uma boa fixação bacteriana e evitar problemas de sedimentação causados por bactérias filamentosas, as estações de tratamento de efluentes que utilizam ar atmosférico como fonte de oxigênio devem manter um nível de oxigênio dissolvido (OD) de cerca de 2 mg/L no tanque de aeração. Em sistemas de oxigênio puro, os níveis de OD geralmente variam de 4 a 10 mg/L. Os operadores devem monitorar o tanque em busca de bactérias com baixo OD, como S. natans, tipo 1701, e H. hydrossis, que indicam condições de baixo OD por meio de turbidez elevada no efluente e lodo ativado escuro com odores desagradáveis. Muitas estações de tratamento possuem equipamentos de monitoramento online que medem e registram continuamente os níveis de OD em pontos específicos dentro do tanque de aeração. Esses analisadores online enviam dados para o sistema SCADA e permitem o controle automático do sistema de aeração para manter um nível de OD predeterminado. Seja gerado automaticamente ou coletado manualmente, o monitoramento regular é necessário para favorecer os organismos que se fixam bem em vez dos filamentos. No entanto, operar o sistema de aeração envolve encontrar um equilíbrio entre oxigênio suficiente para um tratamento adequado e o custo de energia, que representa aproximadamente 90% do custo total do tratamento.