Aplicação do processo AAO modificado no tratamento de águas residuais domésticas de minas de carvão
As águas residuais domésticas nas minas de carvão têm origem principalmente nas cantinas dos funcionários, dormitórios, escritórios, lavandarias e casas de banho, sendo a drenagem balnear responsável por mais de 55% do volume total. A descarga de águas balneares é relativamente concentrada, provocando flutuações significativas do caudal. Caracterizada por menor concentração orgânica e maior teor de sólidos em suspensão (SS), a drenagem balnear difere consideravelmente do esgoto doméstico típico. O seu padrão de descarga escalonado com outros fluxos de águas residuais contribui para uma variabilidade substancial da qualidade da água.
A maioria das minas de carvão na China está localizada em áreas remotas onde os custos de transporte de lamas são elevados. Portanto, devem ser selecionados processos de tratamento com menor rendimento de lodo. À medida que as minas se desenvolvem e o número de funcionários aumenta, o fluxo de águas residuais muitas vezes excede a capacidade original do projecto, necessitando de processos com forte adaptabilidade a alterações na qualidade e quantidade da água dentro da mesma área. Sob políticas ambientais cada vez mais rigorosas que exigem a reutilização total de efluentes tratados com descarga zero, os processos devem fornecer efluentes de qualidade elevada e estável.
Atualmente, o processo AAO (Anaeróbico-Anóxico-Óxico) é a escolha preferida no tratamento de águas residuais municipais. Este artigo analisa a eficácia da aplicação de um Processo AAO Modificado (AAO + Processo de Transporte Suspenso) para águas residuais domésticas de minas de carvão, com base em suas características únicas.
1. Processo AAO modificado
O processo AAO é a configuração de fluxo mais simples para remoção simultânea de nitrogênio e fósforo. As bactérias filamentosas não podem proliferar extensivamente sob alternância de condições anaeróbicas, anóxicas e aeróbicas, evitando o acúmulo de lodo. Não requer adição de produtos químicos, apenas mistura suave em tanques anaeróbicos e anóxicos, resultando em baixos custos operacionais. O lodo possui alto teor de fósforo, o que lhe confere um bom valor fertilizante.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, esta reciclagem interna consome energia significativa. O efluente que entra no clarificador secundário deve manter um certo nível de oxigênio dissolvido (OD) para evitar condições anaeróbicas e liberação de fósforo, mas não muito alto para evitar interferir na desnitrificação no tanque anóxico através do licor misto reciclado.
O Processo AAO Modificado (AAO + Processo de Transportadora Suspensa) mitiga efetivamente essas desvantagens. Aumenta a massa microbiana nos tanques biológicos, melhora a carga volumétrica, consegue a separação completa do tempo de retenção hidráulica (HRT) e do tempo de retenção de lamas (SRT), fortalece a resiliência a cargas de choque hidráulicas e orgânicas, proporciona boa qualidade de efluentes mesmo com fontes de baixo carbono, produz menos lamas e mais estáveis (reduzindo os requisitos de capacidade de tratamento de lamas a jusante). O efluente pode atender aos padrões de qualidade da água "The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water" (GB/T 18920-2020) e "Code for Design of Coal Preparation Engineering" (GB 50359-2016) para lavagem de carvão. Hou Feng et al. aplicou o processo de transporte suspenso AAO+ em uma estação de tratamento de águas residuais subterrânea, alcançando padrões de Grau 1A de acordo com "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB 18918-2002), com indicadores-chave (COD, BOD5, NH3-N, TP) atingindo padrões de Classe IV de acordo com "Padrões de Qualidade Ambiental para Águas Superficiais" (GB 3838-2002). Hao Ruigang et al. usou "Oxidação de Biocontato A/O + Floculação de Redemoinho Perfurado + Sedimentação de Tubo Inclinado + Filtração Ativa de Areia" na expansão de uma planta de águas residuais domésticas de uma mina de carvão, alcançando qualidade de efluente melhor que o Grau 1A. Yan Ziyu et al. também obteve bons resultados utilizando processos de biofilme para modernizar o tratamento de águas residuais domésticas de minas de carvão existentes. O Processo AAO Modificado permite aumentos de capacidade e melhoria da qualidade dos efluentes em plantas existentes com modificações mínimas.
Este processo envolve a adição de transportadores suspensos aos tanques anóxicos e aeróbicos, combinando as vantagens dos processos de lodo ativado e biofilme. Possui alta carga volumétrica, grande biomassa, alta eficiência de tratamento, forte adaptabilidade a altas temperaturas, maior estabilidade do processo e boa remoção de nutrientes. Forma biofilmes ativos altamente especializados, aumentando a eficiência por volume e estabilidade do reator, permitindo reatores menores. O lodo de biofilme descartado contém mais protozoários/metazoários, tem maior densidade e tamanho de partícula maior, resultando em boa sedimentabilidade e fácil separação de sólidos-líquidos. Ele permite a separação SRT{5}}HRT completa, elimina o acúmulo de lodo e é adequado para águas residuais ricas em produtos orgânicos solúveis.
2.1 Estudo de Caso
Uma mina de carvão na cidade de Yan'an, a aproximadamente 16 km da cidade de Zichang, possui uma estação de tratamento de águas residuais domésticas com capacidade projetada de 1.200 m³/d. O processo é: “Tela + Tanque de Equalização + AAO com Transportadores Suspensos + Tratamento Avançado (Coagulação-Sedimentação-Filtragem) + Desinfecção”. O lodo é tratado por meio de "Espessamento por gravidade + Desaguamento por prensa de parafuso". O efluente atende aos limites mais rígidos de *GB/T 18920-2020* e GB 50359-2016 para água de lavagem de carvão. A água tratada é reutilizada para a vegetação da mina e como água de reposição na planta de preparação de carvão. A qualidade do afluente/efluente do projeto está emTabela 1. O fluxo do processo é mostrado emFigura 1.
As águas residuais passam através de uma tela (folga de 5 mm, ângulo de instalação de 75 graus) em um tanque de equalização (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, profundidade efetiva 2,95 m, volume 247,8 m³, HRT 4,13 h), atendendo aos requisitos da GB 50810-2012. Dois misturadores evitam a sedimentação. Três bombas submersíveis (2 plantões +1 standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) transportam água para os tanques biológicos.
O sistema biológico consiste em dois trens paralelos. Por trem:
- Tanque Anaeróbico: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, profundidade efetiva 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Tanque Anóxico: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, profundidade efetiva 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Tanque aeróbico: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, profundidade efetiva 4,0 m, HRT 10,0 h. O HRT total do sistema é de 15,75 h. Transportadores suspensos (taxa de enchimento de 80%, área de superfície específica de 600 m²/m³) são instalados no tanque aeróbico. A proporção projetada de ar-para{12}}água é de 13,7:1. São usados três sopradores Roots (2 serviços +1 em espera, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). A taxa de reciclagem de lodo é de 100%, a taxa de reciclagem de licor misto é de 200%.
Dois clarificadores secundários de entrada/saída periféricos retangulares (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m cada) têm uma taxa de carga superficial de 1,2 m³/(m²·h) e HRT de 2,5 h.
Um purificador de água integrado (combinando coagulação, sedimentação e filtração) fornece tratamento avançado para remoção adicional de SS e fósforo.
O tratamento do lodo inclui espessamento por gravidade (tanque de aço carbono de Φ2,5 m×5,0 m) seguido de desidratação por prensa de parafuso. A poliacrilamida (PAM) é dosada em 3,0–5,0 kg/t de sólidos secos antes da desidratação. A torta de lodo desidratada diariamente é menor ou igual a 150 kg com teor de umidade menor ou igual a 80%, transportada-para fora do local.
A desinfecção usa um-gerador de ClO2 no local (dosagem efetiva de cloro de 120 g/h) dosado na entrada do poço transparente. O poço transparente tem volume efetivo de 250 m³, proporcionando tempo de contato de 4,2 h.
A planta está equipada com amplo monitoramento on-line (medidores de vazão, cloro residual, pH, OD, DQO, turbidez, nível/concentração de lodo) e sistemas de controle automatizados para bombas, sopradores, retrolavagem, dosagem de produtos químicos e mistura, garantindo uma operação inteligente e autônoma.
2.2 Análise de Desempenho
A planta foi comissionada em 2021 e está em operação há mais de dois anos. A qualidade real do afluente/efluente de 2024 é mostrada emTabela 2.
A relação DBO5/N influente é de 5,5, indicando águas residuais com baixa proporção de carbono-para{3}}nitrogênio (C/N), que diminui ainda mais no verão devido à infiltração de chuvas e mudanças de hábitos. As temperaturas extremas do inverno em Yan'an podem chegar a -21 graus. A qualidade real do efluente é melhor que a projetada, com taxas de remoção atingindo: DQO 97,8%, DBO5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, atendendo aos padrões para lavagem de carvão e carvão.
A massa de biofilme ativo nos tanques anóxicos/aeróbicos chega a 125 g/m² de transportador, equivalente a MLSS de 13 g/L-quatro vezes maior que o lodo ativado convencional. Os microrganismos estão na fase de respiração endógena, resultando na produção diária de lodo cerca de 1/3 dos métodos convencionais, com melhor sedimentabilidade, permitindo equipamentos menores de tratamento de lodo.
Embora a oxidação por bio-contato possa operar sem reciclagem de lodo, a pesquisa de Xiong Ren et al. mostra que sistemas com reciclagem alcançam maiores taxas de remoção de DQO, TN, NH3-N, SS e reduzem o rendimento de lodo em 29,6%. Este projeto incorpora reciclagem de licor misto, com flexibilidade operacional baseada na qualidade do efluente.
A planta (1.200 m³/d) ocupa 1.350,3 m², com investimento de capital de 20 milhões de CNY e custo operacional de 1,05 CNY/m³.
Comparado ao AAO convencional, que requer SRT estendido para operação eficaz em baixas-temperaturas, esse processo modificado mantém a simplicidade da remoção simultânea de nutrientes enquanto enriquece a comunidade biológica com transportadores. A separação SRT-HRT melhora a bio-estabilidade, garantindo uma operação confiável sob condições de baixa C/N e baixas-temperaturas. O efluente estável pode ser mantido com pouca ou nenhuma reciclagem de lodo, permitindo a redução-de lodo in situ e menores custos de manuseio de lodo. Sua simplicidade e falta de volume o tornam altamente adequado para o tratamento de águas residuais domésticas de minas de carvão.
3. Pesquisa de Otimização para Processo AAO
Os processos AAO modificados são normalmente projetados de acordo com os parâmetros do "Padrão para Projeto de Engenharia de Águas Residuais Externas" (GB 50014-2021). No entanto, a otimização dos parâmetros operacionais (HRT, SRT, aeração, taxas de reciclagem, MLSS) específicos para águas residuais de minas de carvão é necessária para identificar condições ideais para projeto e operação futuros.
Na AAO convencional, o lodo é reciclado do tanque aeróbio para o anaeróbio, transportando nitrato e alto OD, o que pode prejudicar a remoção biológica de fósforo. O processo da Universidade da Cidade do Cabo (UCT) pode ser considerado, onde o lodo é reciclado para o tanque anóxico, o licor nitrificado para o tanque anóxico e uma reciclagem adicional do tanque anóxico para o tanque anaeróbico é adicionada para melhorar a remoção de bio-P.
O tratamento de lodo pode representar 50–60% do custo operacional de uma planta. Devem ser adotadas tecnologias-de redução de lodo in situ. O alto MLSS em bio{5}}tanques AAO modificados leva a uma alta relação F/M, onde pode ocorrer desacoplamento do metabolismo, promovendo a redução do lodo e diminuindo os custos de manuseio do lodo. O foco futuro deve ser a aplicação de tecnologias de redução-in situ, como crescimento críptico por meio de micro-lise, processo anaeróbico-de sedimentação-óxica (OSA) e desconexão do metabolismo no tratamento de águas residuais de minas de carvão.
Este processo é adequado para modernizar plantas AAO existentes em minas de carvão. Adicionar transportadores a tanques anóxicos/aeróbicos pode melhorar a qualidade do efluente, aumentar a capacidade e melhorar a estabilidade do sistema. Para plantas com requisitos de efluentes mais rigorosos, a substituição do clarificador secundário por um sistema MBR pode melhorar ainda mais a qualidade da água.
4. Conclusão
- O Processo AAO Modificado é adequado para atualizar os sistemas AAO existentes em minas de carvão para melhorar a estabilidade, aumentar a capacidade ou atender a padrões mais rígidos.
- Ao tratar águas residuais domésticas de minas de carvão, o efluente pode atender simultaneamente aos padrões *GB/T 18920-2002* para irrigação/vegetação de estradas e aos padrões GB 50359-2016 para água de lavagem de carvão, demonstrando forte adaptabilidade às mudanças na qualidade e quantidade da água.
- O processo produz lodo estável com boa sedimentabilidade e fácil separação, gera menos lodo e reduz custos de tratamento de lodo.