As águas negras referem-se a uma categoria de águas residuais que consiste principalmente em águas residuais de sanitários. Para além de fezes e urina, também contém água de descarga e outras substâncias dissolvidas e não dissolvidas provenientes de instalações sanitárias. Em comparação com as águas cinzentas (águas residuais dos chuveiros, lavatórios e cozinhas), as águas negras têm uma maior concentração de substâncias orgânicas, microrganismos patogénicos e nutrientes.

No tratamento de águas residuais industriais e municipais, o tratamento específico das águas negras desempenha um papel central na garantia da segurança higiénica e na recuperação de recursos valiosos, como a água, a energia e os nutrientes.

Composição da água negra

A composição das águas negras varia muito, dependendo da fonte (por exemplo, casas, indústria, instalações públicas) e dos sistemas de descarga utilizados.

Principais componentes

• Substâncias orgânicas:
  • Substâncias biodegradáveis, como gorduras, proteínas e hidratos de carbono.
  • Elevada proporção de carência bioquímica de oxigénio (CBO) e carência química de oxigénio (CQO).
• Microrganismos patogénicos:
  • Bactérias (por exemplo, Escherichia coli), vírus e parasitas das fezes.
• Nutrientes:
  • Compostos de azoto (por exemplo, amónio, ureia).
  • Fosfatos provenientes de produtos de limpeza ou fezes humanas.
• Sólidos:
  • Substâncias em suspensão e sedimentáveis, incluindo resíduos fecais e fibras de papel.

Gamas de concentração típicas

• CBO5: 300-600 mg/L.
• CQO: 600-1200 mg/L.
• Azoto total: 40-80 mg/L.
• Fósforo total: 10-20 mg/L.
• Sólidos (TSS): 150-400 mg/L.

Desafios no tratamento de águas negras

O tratamento de águas negras coloca exigências especiais em termos de tecnologia e de gestão:

1. Segurança higiénica:

   • Os microrganismos patogénicos requerem desinfeção para proteger a saúde pública.

2. Elevada carga orgânica:

   • A elevada concentração de substâncias orgânicas leva a um aumento da necessidade de oxigénio nos reactores biológicos.

3. Eliminação de nutrientes:

   • O azoto e o fósforo devem ser removidos ou recuperados a fim de evitar a poluição ambiental (por exemplo, eutrofização).

4. Remoção de sólidos:

   • Os sólidos sedimentáveis e em suspensão devem ser eficazmente separados para evitar bloqueios e avarias.

5. Eficiência dos recursos:

   • A recuperação de energia (por exemplo, biogás) e de nutrientes (por exemplo, fósforo) está a tornar-se cada vez mais importante.

Processo de tratamento de águas negras

1. pré-tratamento mecânico

O pré-tratamento mecânico é o primeiro passo na purificação das águas negras. O objetivo é remover os sólidos grosseiros e as substâncias sedimentáveis, a fim de reduzir a carga hidráulica e orgânica nas fases de tratamento subsequentes.

Tecnologias:

• Ancinhos e peneiras:
  • Remoção de material grosseiro, como papel, artigos de higiene e partículas sólidas.
  • Utilização de crivos finos (malhagem 1-5 mm) para reduzir as cargas sólidas.
• Armadilha de areia:
  • Separação de materiais sedimentáveis, como areia, lodo e pequenas partículas de pedra.
  • Evita depósitos e desgaste nas bombas e tubagens a jusante.

2. tratamento biológico

O tratamento biológico é o passo central na remoção de compostos orgânicos e nutrientes das águas negras. É feita uma distinção entre processos aeróbios e anaeróbios, que são frequentemente utilizados em combinação.

O tratamento anaeróbio de águas negras é uma tecnologia fundamental para a produção sustentável de energia e para o tratamento de águas residuais. Na ausência de oxigénio, os microrganismos decompõem as substâncias orgânicas e produzem biogás, que é convertido a partir do metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2).

a) Digestão anaeróbia

• Funcionalidade:

  • Os compostos orgânicos são decompostos por vários microrganismos em várias fases:
    1. Hidrólise:
       • Os polímeros (por exemplo, proteínas, gorduras, hidratos de carbono) são decompostos em moléculas mais pequenas, como aminoácidos, ácidos gordos e açúcares.
    2. Acidogénese:
       • Conversão dos produtos da hidrólise em ácidos orgânicos, álcool, hidrogénio e dióxido de carbono.
    3. Acetogénese:
       • Formação de ácido acético (CH3COOH) como precursor da formação de metano.
    4. Metanogénese:
       • Os microrganismos metanogénicos produzem metano (CH4) e dióxido de carbono a partir de ácido acético ou hidrogénio.
  • Teor típico de metano no biogás: 50-70 %.

b) Reactores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):

• Funcionalidade:
  • A água negra é bombeada para o reator a partir de baixo e canalizada através de uma manta de lamas granulares.
  • Os microrganismos presentes na cobertura de lamas decompõem as substâncias orgânicas e produzem biogás.
• Vantagens:
  • Tratamento eficiente de águas negras com elevada carga orgânica.
  • Elevada produção de biogás e pouca necessidade de espaço.

Produção de energia

• O biogás produzido pode ser queimado diretamente numa central de produção combinada de calor e eletricidade (CHP) para gerar eletricidade e calor.
• Utilização descentralizada:
• As águas negras provenientes de bairros urbanos ou de zonas residenciais podem ser tratadas em pequenas instalações de digestão anaeróbia.
• O biogás produzido é utilizado para cobrir as necessidades locais de eletricidade e aquecimento, permitindo um abastecimento energético autossuficiente.

Eficiência dos recursos:

• Funcionamento com energia positiva: A energia obtida a partir do biogás excede frequentemente as necessidades energéticas da instalação.
• Proteção do clima: O metano que seria libertado diretamente das fezes é utilizado de forma controlada, o que reduz as emissões de gases com efeito de estufa.