Saiba mais sobre o tratamento e soluções de águas residuais de alta salinidade

Águas residuais de alta salinidade é um desafio ambiental significativo, particularmente em ambientes industriais onde água do mar ou subprodutos ricos em sal são frequentemente produzidos. Entender a produção, os efeitos e o tratamento de águas residuais de alta salinidade é essencial para implementar soluções eficazes que atendam aos padrões regulatórios e garantam a proteção ambiental. Este guia descreve as principais fontes de águas residuais de alta salinidade, os efeitos inibitórios de sais inorgânicos em microrganismos e as mais recentes estratégias de tratamento biológico usadas para gerenciar águas residuais salinas.

1. Formas de produção de águas residuais de alta salinidade

1.1 Águas residuais descarregadas pela substituição da água do mar

A chamada substituição de água do mar consiste em substituir diretamente os recursos de água doce utilizados em determinadas ocasiões por água do mar, sem dessalinização.

Na indústria, a água do mar pode ser amplamente usada como água de resfriamento de caldeiras e é aplicada em energia térmica, energia nuclear, petroquímica, metalurgia, siderúrgicas e outras indústrias. O consumo anual de água de resfriamento de água do mar em países desenvolvidos ultrapassou 100 bilhões de m3. Atualmente, a utilização anual de água do mar em meu país é de mais de 6 bilhões de m3. A Usina de Energia de Qingdao começou a usar água do mar como água de resfriamento industrial em 1936 e tem uma história de mais de 60 anos. Atualmente, 12 empresas costeiras nas indústrias de energia, química, têxtil e outras de Qingdao usam 837 milhões de m3 de água do mar anualmente. Tianjin usa 1,8 bilhão de m3 de água do mar anualmente. Além disso, mais de 70 empresas costeiras de energia térmica, energia nuclear, química, petroquímica e outras, como a Usina Térmica de Qinhuangdao, a Usina Térmica de Huangdao e a Planta Geral Petroquímica de Xangai, usaram diretamente a água do mar de diferentes maneiras. Para indústrias como impressão e tingimento, materiais de construção, processamento de álcalis, borracha e frutos do mar, a água do mar também pode ser usada como água de produção industrial.

Água doméstica urbana. Na vida urbana, a água do mar pode substituir a água doce como água para descarga de vasos sanitários. Atualmente, a taxa de penetração da descarga de água do mar em Hong Kong é tão alta quanto 70%, e a taxa de penetração está planejada para aumentar para 100% no futuro, tornando-a a primeira cidade do mundo a usar água do mar como água para descarga de vasos sanitários. Em algumas unidades em cidades como Dalian, Tianjin, Qingdao e Yantai, também há práticas de uso de água do mar para descarga de vasos sanitários, mas em menor escala.

1.2 Águas residuais da produção industrial

Algumas indústrias, como impressão e tingimento, fabricação de papel, produtos químicos e de bens, produzem águas residuais orgânicas com alto teor de sal na produção.

1.3 Outras águas residuais com alto teor de sal

Água de lastro de navio

Minimização de águas residuais Esgoto gerado na produção

Esgoto doméstico gerado em grandes navios

2. O princípio de inibição dos sais inorgânicos sobre os microrganismos

2.1 Princípio da inibição

O principal veneno em águas residuais salgadas é o veneno inorgânico, ou seja, alta concentração de sais inorgânicos.

O efeito de substâncias tóxicas no tratamento biológico de águas residuais está relacionado ao tipo e à concentração do veneno. Geralmente, conforme a concentração aumenta, ela pode ser dividida em três categorias: estimulação, inibição e toxicidade.

O efeito tóxico de sais inorgânicos de alta concentração no tratamento biológico de águas residuais é principalmente destruir a membrana celular de microrganismos e enzimas nas bactérias por meio do aumento da pressão osmótica ambiental, destruindo assim as atividades fisiológicas dos microrganismos.

① Os microrganismos crescem bem sob pressão isotônica. Os microrganismos em soluções de NaCl com uma massa de 5~8,5g/L, e os glóbulos vermelhos em soluções de NaCl com uma massa de 9g/L não mudam de forma e tamanho, e crescem bem; ② Sob baixa pressão osmótica (ρ(NaCl)=0,1g/L), uma grande quantidade de moléculas de água na solução penetra nos microrganismos, fazendo com que as células microbianas inchem e, em casos graves, se rompam, levando à morte dos microrganismos; ③ Sob alta pressão osmótica (ρ(NaCl)=200g/L), uma grande quantidade de moléculas de água nos microrganismos penetra no corpo, fazendo com que as células sofram plasmólise.

2.2 Taxa de sobrevivência de microrganismos de água doce sob diferentes salinidades

Quando diferentes microrganismos que vivem em ambientes de água doce ou estruturas de tratamento de água doce são inoculados em ambientes de alta salinidade, apenas alguns deles sobrevivem. Este é um tipo de seleção de salinidade para microrganismos. A taxa de sobrevivência de microrganismos de água doce é definida como 100%. Quando a salinidade excede 20g/L, sua taxa de sobrevivência é menor que 40%. Portanto, quando a salinidade excede 20g/:L, geralmente acredita-se que ela não pode ser tratada com diferentes microrganismos de água doce.

3. Classificação e utilização de microrganismos adaptados ao sal

Microrganismos halofílicos: podem tolerar uma certa concentração de solução salina, mas crescem em condições sem sal e seu crescimento não requer uma grande quantidade de sais inorgânicos.

Microrganismos halofílicos: refere-se a bactérias que podem crescer sob condições de alta salinidade, e seu crescimento é inseparável do ambiente de alta salinidade. De acordo com a faixa de salinidade de bom crescimento, ele pode ser dividido em três categorias.

Bactérias marinhas: Bom crescimento salinidade 1-3%

Bactérias halofílicas moderadas: Bom crescimento salinidade 3-15%

Bactérias halofílicas extremas: Bom crescimento salinidade 15-30%

4. Problemas encontrados no tratamento biológico de esgoto de alta salinidade

Má adaptação à salinidade

O método tradicional de lodo ativado é usado para tratar águas residuais salinas com salinidade inferior a 2%.

Quando o ambiente de salinidade muda para um ambiente de água doce, a adaptabilidade do lodo desaparece rapidamente.

Grande impacto das mudanças de salinidade

Mudanças de salinidade de 0,5-2% geralmente causam sérias interferências no sistema de tratamento.

Mudanças repentinas na salinidade interferem no sistema mais do que mudanças graduais na salinidade. O impacto de mudar de um ambiente com muito sal para nenhum sal é maior do que o impacto de mudar de um ambiente com pouco sal para um ambiente com muito sal.

Taxa de degradação lenta

À medida que a salinidade aumenta, a taxa de degradação da matéria orgânica diminui, portanto, F/M baixo é mais adequado para o tratamento de águas residuais salinas.

5. Contramedidas para tratamento biológico de águas residuais de alta salinidade

5.1 Domesticação de microrganismos de água doce

Quando microrganismos adaptados para viver em instalações de tratamento biológico de água doce entram em um ambiente salgado de uma certa concentração, eles equilibrarão a pressão osmótica na célula ou protegerão o protoplasma na célula por meio de seu próprio mecanismo de regulação da pressão osmótica. Esses mecanismos de regulação incluem agregar substâncias de baixo peso molecular para formar uma nova camada protetora extracelular, regular suas próprias vias metabólicas, alterar a composição genética, etc. Portanto, o lodo ativado normal pode tratar águas residuais salinas dentro de uma certa faixa de salinidade por meio da domesticação por um certo período de tempo.

Embora o lodo possa melhorar a faixa de tolerância ao sal do sistema e melhorar a eficiência do tratamento do sistema por meio da domesticação, os microrganismos no lodo domesticado têm uma faixa de tolerância limitada para salinidade e são sensíveis a mudanças ambientais. Quando o ambiente de salinidade muda, a adaptabilidade dos microrganismos desaparecerá imediatamente. A domesticação é apenas um ajuste fisiológico temporário para que os microrganismos se adaptem ao ambiente e não tem características genéticas. Essa sensibilidade adaptativa é muito desfavorável para a implementação de projetos de tratamento de esgoto.

Estudos mostraram que a domesticação da salinidade pode ser usada para tratar águas residuais salinas sob condições de salinidade menor que 20g/L. No entanto, a concentração de salinidade da domesticação deve ser gradualmente aumentada, e o sistema deve ser domesticado para o nível de salinidade necessário em estágios. Um ambiente de alta salinidade repentina causará falha na aclimatação e atraso na inicialização.

5.2 Salinidade do afluente diluído

Como o alto teor de sal se torna um inibidor e veneno para microrganismos, o influente deve ser diluído para tornar a salinidade menor que o valor limite tóxico, e o tratamento biológico não será inibido. Este método é simples, fácil de operar e gerenciar; suas desvantagens são aumentar a escala de tratamento, aumentar o investimento em infraestrutura, aumentar os custos operacionais e desperdiçar recursos hídricos.

5.3 Utilização de microrganismos adaptados ao sal

A inoculação ou imobilização genética de microrganismos adaptados ao sal para tratar esgoto de alta salinidade é um método de tratamento eficaz. Este método pode tratar mais de 3% de esgoto de alta salinidade, o que é impossível de ser alcançado com diferentes métodos de aclimatação. Algumas das bactérias adaptadas ao sal selecionadas para remoção específica de poluentes podem ter alta capacidade de degradação específica, melhorando muito o efeito do tratamento. O inóculo de triagem vem das substâncias ativas no oceano ou sedimento de estuário, substrato de campo de sal e outros ambientes de alta salinidade. A triagem geralmente tem certos procedimentos e medidas genéticas.

As desvantagens deste método são o longo tempo de inicialização e os altos custos iniciais de inicialização. No entanto, é um método viável para tratamento biológico de esgoto de alta salinidade. 5.4 Adicionando antagonistas Antagonismo se refere à situação em que o efeito tóxico de um veneno é reduzido pela presença ou aumento de outra substância. Pode-se ver na figura que o efeito tóxico de um veneno diminui com o aumento da baixa concentração de outra substância e, após o bom estado, a taxa de reação diminui com o aumento adicional da concentração do antagonista. Pesquisas atuais descobriram que K terá um efeito antagônico sobre Na, reduzindo o efeito tóxico do sal de Na em microrganismos. Efeito de absorção de potássio e excreção de sódio O princípio principal pode ser a função de transporte reverso Na+/K+. Embora as bactérias precisem de um ambiente com alto teor de sódio para crescer, a concentração de Na na célula não é alta. Por exemplo, a bomba de prótons H+ mediada por luz de Halobacterium tem a função de transporte reverso Na+/K+, ou seja, tem a capacidade de absorver e concentrar K+ e descarregar Na+ para o espaço extracelular. K+, como um soluto compatível, pode ajustar a pressão osmótica para atingir um equilíbrio entre o interior e o exterior da célula. Sua concentração é tão alta quanto 7 mol/L para manter a mesma atividade de água dentro e fora. Por exemplo, bactérias anaeróbicas halofílicas, bactérias redutoras de enxofre halofílicas e arqueas halofílicas acumulam altas concentrações de K+ na célula para resistir ao ambiente hipertônico fora da célula. Por exemplo, o transportador reverso Na+/K+ na levedura pode excretar o excesso de sal do corpo e melhorar a tolerância da levedura ao sal.

5.5 Selecionando um processo de tratamento adequado

Diferentes processos de tratamento afetam a faixa de tolerância ao sal de microrganismos. A seguir estão as quantidades limitantes de concentração de NaCl em vários métodos de tratamento biológico relatados.

A pesquisa geralmente acredita que o processo de biofilme tem uma tolerância maior ao sal do que o processo de lodo ativado suspenso. Além disso, adicionar um estágio anaeróbico pode aumentar muito a faixa de tolerância ao sal do estágio aeróbico subsequente.

6. Requisitos de projeto para tratamento biológico de esgoto de alta salinidade

6.1 Adicionar um tanque regulador de salinidade

Mudanças de salinidade têm um grande impacto na estabilidade do sistema, que se manifesta como uma queda acentuada na eficiência do tratamento e uma grande quantidade de perda de lodo. Durante o projeto, um tanque regulador deve ser configurado para garantir a estabilidade relativa da salinidade. Dispositivos de monitoramento de condutividade podem ser configurados na entrada e na saída do tanque regulador para fortalecer o controle on-line e o feedback da salinidade para evitar que o choque de salinidade cause falha no sistema de tratamento.

6.2 Reduzir a carga de lodo

A salinidade reduz a taxa de biodegradação, então a carga de projeto deve ser relativamente reduzida. Muitos estudos mostraram que o índice de lodo diminui em um ambiente de alta salinidade, então não há necessidade de se preocupar com a expansão do lodo causada por uma carga muito baixa.

6.3 Aumentar a concentração de lodo

O lodo tratado com alto teor de sal tem coagulação ruim e perda séria de lodo. Portanto, uma alta concentração de lodo deve ser garantida no projeto. Este também é um meio de melhorar a eficiência do tratamento. Também é possível garantir reservas adicionais de lodo ao projetar um tanque de espessamento de lodo e reabastecê-lo rapidamente quando o lodo for perdido.

6.4 Aumentar o tempo de retenção do clarificador

Alto teor de sal afeta a capacidade de coagulação, portanto, um tempo de retenção mais longo favorece a sedimentação do lodo.

6.5 Aumentar o volume de aeração

A adaptação de microrganismos a ambientes com alto teor de sal se manifesta por um aumento na taxa de respiração aeróbica, então a respiração causará consumo adicional de oxigênio. Aumentar a concentração de oxigênio dissolvido na água é benéfico para o metabolismo de microrganismos. Forneça seus requisitos fisiológicos para adaptação a ambientes com alto teor de sal.

Conclusão

Tratar águas residuais de alta salinidade apresenta desafios únicos, mas com avanços em métodos de tratamento biológico, é possível alcançar uma gestão eficiente e sustentável de águas residuais. Ao adotar estratégias como domesticação de microrganismos, usar cepas adaptadas ao sal e otimizar processos de tratamento, as indústrias podem reduzir o impacto ambiental de suas operações, ao mesmo tempo em que cumprem as regulamentações. Com pesquisas e inovações contínuas no campo, o tratamento de águas residuais de alta salinidade continuará a melhorar, fornecendo soluções mais eficazes para indústrias e municípios.