O soro de leite é um subproduto da produção de queijo e de outras operações de processamento de leite. Devido ao seu elevado conteúdo orgânico, o soro de leite representa um desafio considerável para o tratamento de águas residuais industriais. Contém principalmente lactose, proteínas do leite, lípidos, sais e oligoelementos, que conduzem a uma elevada carência química de oxigénio (COD) e biológica de oxigénio (BOD). Na tecnologia de águas residuais industriais, o tratamento eficaz das águas residuais de soro de leite é crucial para garantir o cumprimento dos limites legais e, ao mesmo tempo, recuperar recursos para recirculação ou reciclagem de água.

Este artigo explica em pormenor os antecedentes técnicos do tratamento de águas residuais de soro de leite e da reciclagem de água. É dada especial atenção ao tratamento biológico aeróbio e anaeróbio,às instalações de flotação e à utilização da biofiltração para a purificação e reutilização de água de águas residuais de soro de leite ou condensados de vapor.

Propriedades do soro de leite e das águas residuais do processamento do leite

O soro de leite contém uma variedade de substâncias que influenciam o tratamento de águas residuais:

  1. Principais componentes:

    • Substâncias orgânicas: lactose (~70 % do peso seco), proteínas, gorduras.
    • Substâncias inorgânicas: sais como o potássio, o cálcio e os fosfatos.
    • Valor de pH: Tipicamente na gama de 4,0-6,5, dependendo do processo de fabrico.

  2. Poluição das águas residuais:

    • Valor COD: 50.000-70.000 mg/l, consoante a diluição.
    • Valor de CBO: 35.000-55.000 mg/litro.
    • Teor de gordura e de sólidos: valores elevados podem provocar bloqueios e incrustações.

  3. Condensados de vapor:

    • Formado durante a concentração ou secagem do soro de leite.
    • CQO mais baixa (normalmente 500-5.000 mg/l), mas frequentemente níveis mais elevados de substâncias orgânicas facilmente degradáveis, como o ácido lático.

Tratamento de águas residuais de soro de leite

O tratamento biológico das águas residuais é um método comprovado para decompor os compostos orgânicos das águas residuais do soro de leite. Aqui são utilizados processos aeróbicos e anaeróbicos, que são selecionados em função da carga de águas residuais e do objetivo do processo.

1. tratamento aeróbio

Descrição do processo:
Na degradação aeróbia, os microrganismos utilizam o oxigénio para oxidar os componentes orgânicos do soro de leite e convertê-los em CO₂, água e biomassa. Estes processos são particularmente eficientes com condensados de vapor e águas residuais diluídas.

Tecnologias:

  • Processo de lamas activadas:
    Os microrganismos decompõem as substâncias orgânicas em reactores arejados.

    • Adequado para águas residuais com uma carga de CQO baixa a média.
    • Elevada necessidade de energia devido à ventilação.

  • Sequencing Batch Reator (SBR):
    Processos controlados no tempo num reator que permite fases aeróbias e anóxicas.

Vantagens do tratamento aeróbio:

  • Taxas de degradação rápidas para substâncias orgânicas facilmente degradáveis.
  • Produz águas residuais estáveis com baixa carga residual.

Desvantagens:

  • Elevado consumo de energia devido à ventilação.
  • Aumento da formação de lamas que requerem pós-tratamento.
Tanque de arejamento para águas residuais industriais da indústria açucareira

Foto: Tanque de arejamento com desnitrificação e nitrificação para águas residuais da indústria alimentar (processo: ALMA BHU BIO)

2. tratamento anaeróbio

Descrição do processo:
Durante a decomposição anaeróbia, os microrganismos decompõem as substâncias orgânicas num ambiente sem oxigénio. Os produtos finais são o metano (CH₄) e o dióxido de carbono (CO₂), que podem ser utilizados como biogás. Este processo é ideal para águas residuais altamente contaminadas, como o soro de leite.

Tecnologias:
1º reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
  • Como funciona:
    As águas residuais fluem de baixo para cima através de uma camada de biomassa granulada. A matéria orgânica é decomposta e o biogás resultante sobe para o topo.
  • Vantagens:
    • Design compacto.
    • Elevada eficiência para águas residuais com cargas médias a elevadas.
2º reator EGSB (leito de lamas granulares expandidas)
  • Funcionalidade:
    Semelhante ao reator UASB, mas com uma mistura hidráulica melhorada e uma maior capacidade de fluxo.
  • Vantagens:
    • Adequado para águas residuais muito contaminadas.
    • Maior rendimento de biogás devido a tempos de contacto mais intensos.
Rendimento do biogás

A produção de biogás é um fator decisivo para a eficiência económica do tratamento anaeróbio de águas residuais. Depende da composição das águas residuais e das condições do processo.

Factores que influenciam o rendimento do biogás:

  1. Carga orgânica (COD):

    • Um valor elevado de CQO está correlacionado com um maior rendimento de biogás.
    • Típico: 1 kg de CQO degradada produz 0,35-0,50 m³ de biogás.

  2. Tipo de águas residuais:

    • Águas residuais ricas em gorduras, proteínas e hidratos de carbono: Elevado rendimento de biogás, uma vez que estas substâncias são ricas em energia.
    • Substâncias pouco degradáveis: menor rendimento de biogás, uma vez que é necessária mais energia para a degradação.

  3. Temperatura do processo:

    • Condições mesófilas (30-40 °C): Comum e económico.
    • Condições termofílicas (50-60 °C): Taxas de degradação mais elevadas, mas custos energéticos mais elevados.

  4. Valor do pH:

    • Gama óptima: 6,5-7,5.
    • Os desvios levam à inibição da metanogénese.

  5. Tempo de espera:

    • É necessário um tempo de retenção hidráulica suficiente (10-30 dias) para completar o processo de degradação.
Rendimento típico de biogás:
  • Águas residuais de soro de leite: 0,4-0,6 m³ de biogás por kg de CQO.
  • Águas residuais da indústria alimentar: 0,3-0,5 m³ de biogás por kg de CQO.
Vantagens do tratamento anaeróbio

  • Produção de energia:
    O biogás produzido durante a metanogénese pode ser utilizado para produzir energia, o que reduz os custos de funcionamento da instalação.

  • Elevada eficiência de degradação:
    Degradação de 70-90 % da carga orgânica (medida como carência química de oxigénio, CQO).

  • Baixa formação de lamas:
    Em comparação com os processos aeróbios, apenas cerca de 10-20 % da biomassa é formada, o que reduz os custos de eliminação.

  • Sustentabilidade:
    O rendimento do biogás substitui os combustíveis fósseis e reduz as emissões de gases com efeito de estufa.

Produção de energia a partir de águas residuais, biogás a partir de águas residuais

Foto: A nossa central de biogás ALMA BHU GMR para a fermentação das águas residuais das fábricas de transformação de leite

Reciclagem da água por meio de biofiltração

Biofiltração como pós-tratamento:
Após o pré-tratamento biológico, os resíduos e nutrientes restantes podem ser removidos numa instalação de biofiltração removidos numa instalação de biofiltração. Este método é particularmente eficaz para condensados de vapor ou águas residuais de soro de leite pré-tratadas.

Etapas do processo:

  1. Descarga de águas residuais:
    As águas residuais pré-tratadas (por exemplo, de uma instalação de flotação ou anaeróbia) são canalizadas através de um leito filtrante de materiais argilosos preparados.

  2. Atividade de biofilme:

    • Os microorganismos presentes no material filtrante decompõem as substâncias orgânicas e os nutrientes.
    • Para além de reduzir a carência química de oxigénio (CQO) e a carência biológica de oxigénio (CBO), os compostos interferentes, como as gorduras, os óleos e os hidratos de carbono, são também decompostos.
    • Também é possível com a nitrificação e a desnitrificação.

  3. Filtração de partículas:
    Para além da sua atividade biológica, a biofiltração funciona também como um sistema de filtragem física que remove os sólidos em suspensão das águas residuais.

  4. Qualidade da água à saída:
    O filtrado tem valores significativamente mais baixos de CQO e CBO, bem como concentrações reduzidas de fósforo e azoto.

Integração da biofiltração no processo de reciclagem da água

A biofiltração é frequentemente uma etapa intermédia numa estação de tratamento de águas com várias fases. Prepara as águas residuais para outros processos, como a osmose inversa (OR), que permite uma maior purificação e desmineralização.

1. pré-tratamento antes da biofiltração

As águas residuais devem ser pré-tratadas antes da biofiltração para não sobrecarregar o sistema de filtragem. Os processos típicos são

2. pós-tratamento por osmose inversa

Após a biofiltração, as águas residuais podem ser ainda purificadas por um sistema de osmose inversa, a fim de:

  • Remover os sais e minerais dissolvidos.
  • Para filtrar as substâncias orgânicas residuais e os micropoluentes.
  • Para reduzir a condutividade da água a um nível que permita a sua reutilização.
Melhorias típicas de qualidade devido à combinação:
  • CSB: < 10 mg/l nach der Umkehrosmose.
  • Condutividade: 10 - 200 µS/cm, consoante a aplicação.
  • Bactérias e vírus: completamente retidos pelas membranas.
Vantagens da reciclagem de água com biofiltração e osmose inversa

1. sustentabilidade:

  • Redução do consumo de água doce e conservação dos recursos naturais.
  • Minimização do volume de águas residuais e da sua descarga nos colectores públicos ou nas águas de superfície.

2. melhoria da qualidade da água:

  • A biofiltração elimina eficazmente as substâncias orgânicas indesejadas, minimizando as incrustações e a bioincrustação na osmose inversa.
  • A osmose inversa assegura a remoção quase completa de sais, nutrientes e micropoluentes.

3. eficiência económica:

  • Redução dos custos de funcionamento através da reutilização da água.
  • Redução dos custos de eliminação de águas residuais e de tratamento de água doce.

4. adaptabilidade:

Filtragem biológica para instalações de reciclagem de água

Foto: O nosso sistema de biofiltração ALMA BioFil Compact para o tratamento de condensados de vapor e de águas residuais pré-tratadas da indústria alimentar

Pré-tratamento de águas residuais de soro de leite utilizando instalações de flotação

A flotação é uma tecnologia comprovada para o pré-tratamento de águas residuais altamente contaminadas, como acontece no processamento de leite e no tratamento de águas residuais de soro de leite. A dosagem direcionada de precipitantes e floculantes remove substâncias orgânicas dissolvidas e coloidais, gorduras e sólidos das águas residuais. Este pré-tratamento reduz significativamente a carga orgânica e inorgânica e prepara de forma óptima as águas residuais para processos biológicos ou físico-químicos a jusante, como a biofiltração.

Como funciona a flotação

A flotação baseia-se no princípio de que as partículas são transportadas para a superfície da água pela acumulação de bolhas de gás (normalmente ar). As partículas formam uma espuma que é removida da superfície do reator. O pré-tratamento químico com precipitantes e floculantes é crucial para a separação eficiente das substâncias.

Etapas do processo de tratamento por flotação
1. pré-tratamento químico

O pré-tratamento é efectuado através da adição de precipitantes e floculantes especificamente adaptados à composição das águas residuais do soro de leite.

  • Precipitante:

    • Objetivo: Conversão de substâncias dissolvidas em compostos pouco solúveis que são mais fáceis de separar.
    • Precipitantes típicos: sulfato de alumínio, cloreto férrico ou cloreto de polialumínio.
    • Reação: Os precipitantes reagem com substâncias orgânicas e inorgânicas dissolvidas, por exemplo, fosfatos, e formam flocos.

  • Floculante:

    • Objetivo: Alargamento e estabilização dos flocos resultantes.
    • Floculantes típicos: Polímeros de elevado peso molecular (aniónicos, catiónicos ou não iónicos).
    • Efeito: As cadeias poliméricas ligam transversalmente as partículas mais pequenas e os flocos para formar flocos maiores, sedimentáveis ou flutuáveis.
2. zona de contacto e injeção de gás

Na zona de contacto da instalação de flotação, as águas residuais pré-tratadas quimicamente são misturadas com bolhas de ar muito finas. Isto é normalmente conseguido através de

  • Flotação por ar dissolvido:
    A água é saturada com ar sob pressão. Quando a pressão cai, formam-se bolhas de ar muito finas (microbolhas) que se fixam nos flocos.

  • Injectores ou difusores de ar:
    Introdução direta de ar ou outros gases na zona de flotação.

Os flocos resultantes com bolhas de ar têm uma densidade inferior à da água e sobem à superfície.

3. desnatação da camada de lama

As substâncias acumuladas à superfície formam uma camada de lama que é desnatada de forma contínua ou descontínua. As lamas desnatadas são altamente concentradas e podem ser desidratadas ou tratadas num digestor anaeróbio.

4. saída de água limpa

A água limpa restante é descarregada da zona inferior da instalação de flotação e pode ser tratada biologicamente ou, dependendo da sua qualidade, utilizada para o processo interno de reciclagem de água.

Vantagens do pré-tratamento por flotação

A flotação com pré-tratamento químico oferece várias vantagens:

  • Remoção eficiente de gorduras, óleos e sólidos:
    A flotação assegura uma redução significativa dos valores de CQO e CBO, particularmente com águas residuais de soro de leite, que contêm elevados níveis de gorduras e proteínas.

  • Redução da carga orgânica:
    A precipitação da lactose e das proteínas alivia o processo de biodegradação a jusante.

  • Flexibilidade:
    A dosagem de precipitantes e floculantes pode ser adaptada a diferentes cargas e águas residuais.

  • Design compacto:os sistemas de flotação
    requerem pouco espaço e podem ser integrados em processos existentes.

Foto: O nosso sistema de flotação ALMA NeoDAF com dosagem proporcional à carga de precipitantes e floculantes e sistema patenteado de saturação de ar

Desafios e soluções

1. Elevado valor de CQO e CBO:
As águas residuais do soro de leite requerem processos biológicos de elevado desempenho devido ao seu elevado teor orgânico.

  • Solução: Combinação de pré-tratamento anaeróbio e pós-tratamento aeróbio para uma mineralização completa.

2. Flutuação da carga de águas residuais:
A composição das águas residuais do soro de leite varia em função dos processos de produção e de limpeza.

3. Necessidade de energia:
Os processos aeróbios têm um elevado consumo de energia.

  • Solução: Integração de sistemas anaeróbios para a produção de energia a partir do biogás.

4. Reciclagem de água:
A reutilização de água purificada exige uma elevada qualidade.

Conclusão

O tratamento de águas residuais de soro de leite e condensados de vapor coloca grandes exigências à tecnologia de águas residuais, mas também oferece inúmeras oportunidades para a recuperação de recursos. Ao combinar processos biológicos aeróbicos e anaeróbicos, as cargas orgânicas podem ser eficientemente reduzidas e o biogás pode ser utilizado como fonte de energia ao mesmo tempo. As tecnologias a jusante, como a biofiltração, permitem que a água seja reutilizada em ciclos fechados, contribuindo assim para a sustentabilidade e a eficiência económica dos processos. Com instalações e processos modernos, os desafios podem ser superados com sucesso, minimizando ao mesmo tempo o impacto ambiental.

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