BR102021004257A2 - Equipamento e processo para tratamento e neutralização de águas com resíduos da carcinicultura - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um equipamento e processo para o tratamento e neutralização de águas mediante a utilização de resíduos da carcinicultura, preferencialmente casca de camarão, como agente de tratamento de águas, e ao processo empregado. O equipamento é constituído por um depósito inerte resistente, com fechamento variável, opaco e com e/ou sem agitação, no qual a casca de camarão se distribui em receptáculos permeáveis fixados a suportes individuais estratificados em torno do eixo central vertical para o tratamento das águas mediante fluxo contínuo vertical ascendente/descendente.

Description

EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um equipamento e processo para o tratamento e neutralização de águas ácidas mediante a utilização de resíduos da carcinicultura, preferencialmente casca de camarão, como agente de tratamento de águas, e ao processo empregado. O equipamento é constituído por um tanque cilíndrico de material inerte e resistente, com fechamento variável, opaco e com agitação, no qual a casca de camarão se distribui em receptáculos permeáveis fixados a suportes individuais estratificados em torno do eixo central vertical para o tratamento das águas mediante fluxo contínuo vertical ascendente. Este novo equipamento foi desenvolvido para a neutralização da acidez e remoção de íons de metais e de sais nos efluentes ácidos, com ênfase na indústria carbonífera.

[002] Nas últimas décadas, houve uma crescente conscientização, a nível global, sobre o uso racional dos recursos naturais e o desenvolvimento de tecnologias menos impactantes ao ambiente. O modelo atual de “desenvolvimento sustentável tem gerado uma série de discussões multidisciplinares entre pesquisadores, acadêmicos e sociedade devido à dificuldade em se estabelecer um equilíbrio entre os crescimentos econômico e populacional e a preservação do ambiente natural. Dentre os recursos naturais, os corpos hídricos sofrem a maior carga de impactos antrópicos devido a sua primordial participação nos processos econômicos e biológicos que estruturam a sociedade.

[003] Neste contexto, os efluentes ácidos naturais e/ou antropogênicos representam um dos mais importantes problemas a nível mundial, com elevado potencial de impacto negativo sobre os cursos hídricos e a vida aquática, derivado tanto da sua abundância/geração como de sua dificuldade de tratamento, gestão e/ou minimização.

[004] As principais características dos efluentes ácidos de origem natural e/ou antropogênico são baixos valores de pH, elevadas concentrações de sulfatos e diferentes íons metálicos (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, Fe, Al, Cr, Mn, Mg, etc.) assim como outros poluentes secundários. Embora apresentem similitudes gerais composicionais, a composição e concentração específica dos elementos contaminantes nos efluentes mostra-se fortemente dependente das condições geológicas específicas da área e da atividade económica/industrial geradora, sendo que muitos destes poluentes se demonstram tóxicos ou potencialmente tóxicos para os ecossistemas terrestres, aquáticos e, em última instância, para a saúde e qualidade de vida humana.

[005] Uma vez gerados os efluentes ácidos naturais e/ou antropogênicos, é difícil seu controle e remediação, apresentando efeitos em longo prazo e/ou de forma permanente, com impactos tanto nas águas superficiais (qualitativamente e quantitativamente) quanto nas águas subterrâneas devido à migração dos lixiviados tóxicos.

[006] Adicionalmente, o aumento da demanda de água e o declínio da sua qualidade têm forçado de forma inevitável a busca por fontes alternativas; dentre elas, o reuso de águas para usos menos nobres que o consumo humano vem se mostrando uma possibilidade com significativos resultados na conservação dos mananciais, e economicamente viável no contexto socioeconômico atual.

[007] Nesse contexto, visando o tratamento e neutralização de efluentes ácidos e/ou águas poluídas por estes que resulte em uma água com qualidade e padrões mínimos exigidos para seu reuso-reciclo em usos secundários não potáveis de atividades agrícolas, industriais e/ou urbanas (limpeza de ruas, pátios, irrigação de áreas verdes, etc.) com impacto significativo na redução da demanda e pressão sobre os mananciais de água, foi desenvolvido o “EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA”.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[008] Os impactos dos efluentes ácidos de origem natural e/ou antropogênico, com ênfase nos decorrentes, direta e/ou indiretamente, da indústria mineira, assim como dos corpos hídricos impactados por estes, são considerados como graves, pela sua natureza, extensão e dificuldade de solução e remediação. Assim, os cursos hídricos impactados pelos efluentes ácidos se caracterizam pela sua acidez (pH entre 2 e 4) e por apresentarem elevadas concentrações de sulfatos (entre 500 mg L-1 e 5.000 mg L-1), metais e metaloides dissolvidos e sólidos em suspensão.

[009] Em 1999, Norstrom e Alpers definiram a oxidação da pirita (FeS2) como o principal responsável da formação de águas ácidas de origem natural, embora a geração também possa acontecer por outros minerais sulfetados. Quando a pirita é exposta a água e oxigênio, começa na sua superfície um complexo mecanismo que inicia com a oxidação dos sulfetos, transformando-os em sulfatos, muito solúveis, com produção de ácido e liberação de íons de ferro. Inicialmente, a cinética de oxidação pelo oxigênio é muito lenta, porém pode chegar a aumentar até em dez ordens sua magnitude pela ação de bactérias catalisadoras. Junto à oxidação do FeS2 são produzidas reações secundárias com os compostos constituintes das rochas, provocando a liberação de diferentes íons metálicos, metaloides e acidez adicional ao meio. Como resultado final, obtém-se um conjunto de contaminantes solúveis depositados sobre o mineral, que serão dissolvidos e carregados pela água da chuva e/ou o lixiviado, produzindo um efluente altamente contaminante e tóxico que afeta aos cursos hídricos superficiais e subterrâneos. Cabe destacar que a geoquímica das águas ácidas de mina é um fenômeno complexo pela diversidade de processos químicos, físicos e biológicos interferentes.

[0010] Já os efluentes ácidos de origem antropogênico são o resultado de diversas atividades industriais e econômicas, derivando dos processos produtivos. Embora sua composição mostre-se variável, em função da origem específica e atividade geradora, guardam estreita relação composicional em relação aos valores de pH, concentração de sulfatos, metais e metaloides e sólidos suspensos, além de corantes e outros contaminantes.

[0011] Arsênio, ferro, alumínio, zinco, cobre, cádmio, níquel e chumbo são considerados como os principais metaloides e metais presentes nas águas ácidas. Uma vez no ambiente aquático, esses metais podem permanecer em solução como íons livres ou na forma de complexos. A contaminação por íons metálicos e metaloides deve ser considerada grave, uma vez que, diferentemente da matéria orgânica, estes íons não são biodegradáveis, pelo que permanecem no meio de forma indefinida. A captação destes metais na água pelos organismos vivos acontece, principalmente, na forma de cátions livres, através da superfície respiratória ou atravessando diretamente as membranas das plantas e das bactérias (bioacumulação). Muitos metais são transferidos via cadeia alimentar na forma orgânica (bioamplificação), já outros são incorporados pelos animais bentônicos por meio da ingestão de sedimentos (Hodson, 1988). Mediante estes dois fenômenos, bioacumulação e bioamplificação, podem ser atingidas nos seres vivos concentrações muito mais elevadas que as concentrações encontradas no meio líquido.

[0012] Os íons metálicos, embora sejam necessários para a atividade de uma grande variedade de enzimas e para a manutenção estrutural de proteínas, são protegidos no interior das proteínas, pois dessa forma, circundados e isolados, a célula está protegida do efeito tóxico desses metais. Ao contrário, quando livres ou fracamente ligados à superfície das proteínas, DNA, lipídeos ou outras biomoléculas, os íons metálicos são tóxicos mesmo quando encontrados em baixos níveis.

[0013] O tratamento das águas ácidas requer de três processos diferentes: (Robinson-Lora & Brennan, 2009):

• • Neutralização da acidez;
• • Redução do teor em sulfato;
• • Remoção dos metais dissolvidos.

[0014] Existem duas abordagens principais para o tratamento das águas ácidas: tratamentos ativos e passivos.

[0015] Os sistemas de tratamento ativos ou convencionais consistem na adição de sustâncias alcalinas que neutralizem os compostos ácidos, permitindo a remoção dos íons metálicos via formação de precipitados. Os agentes alcalinos predominantemente usados são Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH, CaCO3 e mistura destes.

[0016] Os métodos de tratamento convencionais acabam apresentando custos elevados pela grande quantidade de reagentes e demanda energética e operacional necessária, as dificuldades técnicas para a mistura dos reagentes em grandes volumes de água, as dificuldades técnicas na filtração e na decantação, além da dificuldade adicional derivada da geração de grandes volumes de lodo tóxico.

[0017] Os métodos de tratamento passivos baseados no reaproveitamento de biomassa constituem-se em uma ótima alternativa na neutralização do pH e eliminação de metais dissolvidos, apresentando também requerimentos energéticos e de manutenção escassos, pelo que o seu baixo custo pode ser assumido durante longos períodos de tempo.

[0018] A biomassa pode ser definida como a matéria orgânica presente nos organismos, em ecossistemas ou em determinada população animal ou vegetal. A biomassa pode ser empregada como fonte de energia ou como matéria-prima. Seu aproveitamento contribui para a redução da quantidade de resíduos descartados ao ambiente, além de possibilitar a abertura de novos mercados e cadeias de aproveitamento mais sustentáveis.

[0019] A partir da década de 1970, a biomassa começou a ser percebida como fonte de matéria-prima renovável, abundante e relativamente barata quando comparada com outras matérias-primas. Destaca-se a biomassa derivada dos resíduos da carcinicultura, como a casca de camarão, pela sua funcionalidade e diversidade de aplicação nas indústrias.

[0020] A casca de camarão é um material natural, abundante, sem valor comercial, de fácil manipulação e rico em quitina (13-42% quitina) e carbonato de cálcio. A quitina é um polissacarídeo nitrogenado, de origem natural, branco, duro e cristalino.

[0021] Quimicamente, se trata de um polímero de alto peso molecular composto por unidades N-acetil-2-amino-2-desoxi-D-glicolise unidas entre elas por enlaces glicosídicos β (1 → 4) formando uma cadeia linear com algumas unidades monoméricas desacetiladas.

[0022] Cientificamente, pode se afirmar que a quitina é um excelente adsorvente de íons metálicos, especialmente em condições fortemente ácidas, sendo capaz de remover elementos como alumínio, arsênio, cromo, cobre, ferro, manganês, níquel e zinco de soluções aquosas (Núñez-Gomez et al., 2017, 2020; Mcafee, et al., 2001; Franco, et al., 2004; Vijayaraghavan, et al., 2005) e tem sido utilizada com sucesso no tratamento de água de poço (Lobo-Recio et al., 2013; Tarpani et al., 2015), no tratamento de efluente têxtil (Simionato et al., 2006), no tratamento de efluentes de mineração (Rodrigues et al., 2019; Núñez-Gómez et al., 2017; Daubert et al., 2007; Robinson-Lora, et al., 2009; Gamage, et al., 2007) e em diversas áreas da indústria alimentaria, formulações farmacêuticas e cosméticas (Gildberg, et al., 2001;Peter, 1995).

[0023] Além disso, o carbonato de cálcio que acompanha à quitina na casca de camarão apresenta a vantagem adicional de ser capaz de elevar a alcalinidade do efluente a ser tratado, sem necessidade de adicionar outros reagentes com custos maiores.

PROBLEMAS DA TÉCNICA

[0024] Os sistemas de tratamento convencionais envolvem complexos processos de neutralização, precipitação, filtração e decantação. O dinamismo operacional necessário apresenta elevados custos relacionados aos consumos de reagentes e energia, e à mão de obra especializada, somados às dificuldades e exigências para a manipulação, transporte e descarte dos resíduos resultantes (lodo tóxico).

SOLUÇÃO PROPOSTA

[0025] Tais aspectos são resolvidos de forma satisfatória pela presente invenção, resultando em um equipamento e processo para tratamento e neutralização de águas ácidas contendo elevadas concentrações de íons metálicos até os limites máximos legalmente permitidos que viabilizem a utilização do efluente para fins secundários não potáveis, mediante a utilização de um biopolímero natural derivado da carcinicultura, de baixo custo e abundante.

[0026] As principais vantagens relacionadas com a presente invenção quando comparada com os sistemas tradicionais estão relacionadas com:

• • Baixo custo de instalação, operação e manutenção do equipamento;
• • Diminuição do custo do tratamento pela utilização de um reagente alcalino sem valor comercial aparente;
• • Simplicidade operacional;
• • Capacidade de variação e adaptabilidade do tratamento em função das necessidades e requisitos composicionais dos efluentes a serem tratados;
• • Minimização de subprodutos contaminantes, uma vez que os tratamentos convencionais geram elevados volumes de lodos tóxicos devido a sua elevada concentração de espécies contaminantes, com necessidades de recursos (econômicos, operacionais, logísticos, humanos e materiais) complexos para sua manipulação, tratamento, transporte e disposição final. O equipamento de tratamento da presente invenção não apresenta geração de lodo tóxico, e o biopolímero após utilização resulta em um produto inerte apto para sua disposição final em aterro industrial sem risco à saúde e ao ambiente.
• • Minimização/solução de conflitos sócio econômicos decorrentes da captação e utilização dos recursos hídricos de qualidade, uma vez que apela pela reutilização da água tratada para fins secundários não potáveis, conservando e/ou diminuindo desta forma a pressão sobre as fontes e cursos hídricos de maior qualidade.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0027] A presente invenção tem como principal objetivo fornecer um equipamento e processo para tratamento de águas ácidas caracterizadas principalmente pelo elevado teor de sulfatos, sólidos suspensos e íons metálicos, decorrentes de atividades industriais e de mineração, com ênfase na extração do carvão mineral, constituindo-se em uma alternativa técnica e economicamente viável para solução desta problemática ambiental.

[0028] O equipamento exposto pela presente invenção aproveita as águas dos próprios cursos hídricos, proporcionando a correção do pH e redução de íons metálicos, devolvendo características físico-químicas apropriadas para a reutilização destas águas para usos secundários não potáveis agrícolas, urbanos e/ou da própria exploração da mineradora e/ou processos industriais, sempre dentro dos padrões estabelecidos pelas normas legais pertinentes.

[0029] Um segundo objetivo da presente invenção diz respeito à redução do impacto e a valorização do resíduo de casca de camarão, considerada sem valor econômico, como fonte de quitina e carbonato de cálcio para o tratamento e neutralização de águas. Desta forma, a presente invenção proporciona uma aplicação para a casca de camarão, agregando valor a este resíduo. Além de promover uma fonte adicional de renda aos produtores de camarão, contribuir para a gestão e manejo efetivo dos resíduos e abrir novos mercados dentro da própria carcinicultura tradicional.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0030] A presente invenção trata-se de um equipamento e processo para o tratamento e neutralização de águas, com ênfase nos efluentes ácidos naturais e/ou antropogênicos, visando o reuso secundário não potável do efluente após tratamento. O equipamento é constituído por um tanque primário para separação sólido-líquido, tanque secundário para tratamento e neutralização da água com os resíduos da carcinicultura como agente de tratamento, e por decantador hídrico da água tratada para eliminação de material suspenso potencial.

[0031] Para o tratamento e neutralização das águas se utilizam resíduos da carcinicultura (cultivo de camarões) ricos em quitina e carbonato de cálcio entre outros componentes. Entende-se carcinicultura como o conjunto de técnicas e processos destinados ao cultivo/criação, processamento e comercialização de crustáceos, principalmente camarões. Os processos e técnicas de cultivo/criação podem ser desenvolvidos em águas doces e salgadas, águas interiores e continentais, de forma extensiva, semi-intensiva, intensiva e superintensiva, compreendendo etapas principais de larvicultura, berçário, engorda e despesca em sistemas mono, bi e trifásicos.

[0032] O conjunto de processos e técnicas de processamento na carcinicultura tem como objetivo principal a transformação da matéria-prima em produto aceitável/de interesse comercial. Constituem resíduos da carcinicultura a casca de camarão (cefalotórax anterior, exoesqueleto (tórax e abdômen), segmentos e apêndices, e cauda terminal) excedente e residual resultante no conjunto, ou independentemente, dos processos de cultivo/criação, processamento e comercialização dos animais.

[0033] O processo desenvolvido é caracterizado pela utilização “semi-direta” dos resíduos de carcinicultura, ou seja, com um tratamento físico mínimo e simples, de baixo custo, sem necessidade de transformação, manipulação e/ou adição de novos produtos/reagentes, compreendendo no mínimo as seguintes etapas:

• • Lavagem dos resíduos da carcinicultura para a retirada de material grosseiro e outras impurezas;
• • Eliminação da umidade dos resíduos da carcinicultura mediante sistemas/equipamentos com temperatura controlada (forno, mufla, radiação solar, etc.);
• • Homogeneização da estrutura física dos resíduos da carcinicultura.

[0034] O método de obtenção/processamento dos resíduos da carcinicultura é simples, rápido e de baixo custo.

[0035] O tratamento das águas está apto a toda e qualquer sustância e/ou poluente susceptível à sorção, e ocorre principalmente devido a mecanismos de sorção devidos à quitina constituinte dos resíduos da carcinicultura. A neutralização das águas ocorre devido ao carbonato de cálcio presente nos resíduos da carcinicultura.

[0036] O equipamento da presente invenção tem as características de um sistema de baixo custo, eficiente, com pouca intervenção humana e mínimos inputs energéticos.

[0037] O tanque de tratamento e neutralização compreende um tanque, em cujo interior estão dispostos os resíduos da carcinicultura em receptáculos individuais homogéneos. A água passa através dos receptáculos, que estão dispostos de forma estratificada no interior do equipamento, mediante a utilização de um suporte em níveis e eixo central, adaptável a todo tipo de diâmetros e versátil em função das necessidades específicas do tratamento. A disposição dos resíduos da carcinicultura nos receptáculos fixados ao suporte facilita a rápida manipulação e/ou substituição do mesmo.

[0038] A remoção dos metais pelo equipamento proposto na presente invenção potencializa sua recuperação posterior e reintrodução no mercado.

[0039] A água tratada pelo equipamento da presente invenção é considerada economicamente de interesse pois mostra-se apta para usos secundários não potáveis.

[0040] Os resíduos da carcinicultura podem ser encaminhados para pós tratamento, tornando-se inertes e aptos para disposição final em aterro industrial, sem risco à saúde humana e ao meio ambiente.

[0041] A caracterização da presente invenção é feita por meio de uma figura representativa do equipamento que utiliza casca de camarão como biomaterial para o tratamento e neutralização de águas e do processo empregado, de tal modo que o objeto da patente possa ser integralmente reproduzido por técnica adequada, permitindo plena caracterização da funcionalidade do objeto pleiteado.

[0042] A partir da figura que expressa a melhor forma ou forma preferencial de se realizar o objeto do pedido de patente ora idealizado, se fundamenta a parte descritiva do relatório, através de uma numeração detalhada e consecutiva, onde a mesma esclarece aspectos que possam ficar subentendidos pela representação adotada, de modo a determinar claramente a proteção ora pretendida.

[0043] Esta figura é meramente ilustrativa, podendo apresentar variações, desde que não fujam do inicialmente pleiteado.

[0044] Neste caso se tem que FIGURA 01 apresenta um fluxograma geral básico do equipamento para tratamento de águas ácidas.

[0045] O tanque primário de separação sólido-líquido (a) possui elementos de filtração (a.1) para eliminação de sólidos suspensos. Os elementos de filtração (a.1) podem ser dimensionados de acordo com a granulometria dos sólidos suspensos, ou totalmente suprimidos do equipamento, caso sejam desnecessários. Os elementos de filtração (a.1) são constituídos por uma armação de forma geométrica (circular, retangular, quadrada, etc.) e uma malha de filamentos (arame fino, taquara e derivados do bamboo, fibras vegetais, fibras animais e plástico sintéticos, semissintéticos, naturais e/o renováveis, etc.) entrelaçados deixando orifícios simétricos com um tamanho de malha >1,00 Mesh ou conforme necessidade de acordo as características do efluente.

[0046] O dispositivo secundário para tratamento e neutralização da água (b) é constituído por um tanque inerte resistente, com fechamento variável, opaco e com e/ou sem agitação, no qual a casca de camarão se distribui em receptáculos permeáveis (b.1) fixados a suportes individuais estratificados para o tratamento das águas mediante fluxo contínuo vertical ascendente.

[0047] Após tratamento no dispositivo secundário (b), o efluente segue para o decantador hídrico da água tratada (c), que tem a finalidade da decantação do efluente por processo físico específico. O decantador hídrico (c) pode ser circular, cónico-cilíndrico ou lamelar e o dimensionamento e definição dos parâmetros fundamentais (tempo de retenção hídrica, volume, tipo de decantador, localização de entrada e saída, etc.) é determinado com base no fluxo de água a tratar e as características composicionais do efluente. O decantador pode ser suprimido do equipamento, caso seja desnecessário.

[0048] A presente invenção está baseada em processos amplamente conhecidos e empregados, tais como:

• • Neutralização com vistas ao ajuste do pH e redução da acidez das águas, fomentando a adsorção de íons metálicos presentes neste tipo de águas e/ou a precipitação de hidróxidos metálicos, o que se dá em diferentes faixas de pH, via utilização da casca de camarão rica em quitina e carbonato de cálcio;
• • Precipitação e sorção dos hidróxidos metálicos, na forma anteriormente referida, segundo determinadas faixas de pH;
• • Adsorção das espécies dissolvidas nas águas no biopolímero quitina, constituinte da casca de camarão;
• • Floculação das partículas suspensas através de agitadores que provocam a colisão das mesmas, cuja finalidade é a formação de flocos, sempre mais pesados do que as partículas (hidróxidos metálicos) isoladamente;
• • Decantação, processo de separação sólido-líquido pelo qual as partículas suspensas em um efluente passam a precipitar, formando uma fase sólida decantada, e uma fase líquida sobrenadante.

[0049] Além dos processos acima relacionados, o sistema da presente invenção utiliza o princípio químico da transferência de massa associado ao aproveitamento da energia mecânica gerada pelos próprios cursos hídricos e hidrodinâmica do ambiente, o que favorece os referidos processos físico-químicos, pelos quais a neutralização se dá a partir da captação do efluente a ser tratado in situ, o que ocorre com a adição de um resíduo industrial.

[0050] Uma vez que o referido efluente ingressa na caixa de tratamento, o mesmo circula nas diferentes fases do processo, correspondentes às operações unitárias especificadas no fluxograma (Figura 1) e a seguir relacionadas:

• - Separação inicial líquido-sólido (a) com a separação das frações finas das grossas através dos elementos de filtração (a.1). O equipamento pode ser aplicado em cursos hídricos naturais in loco, pelo que a água pode acarretar diversos materiais sólidos grosseiros (folhas, galos, etc.) que dificultariam o tratamento posterior. Esta fase necessita de sistemática e periódica remoção dos elementos de filtração para limpeza; no caso de o equipamento não ser instalado in situ e/ou não sendo necessária a existência de elementos de filtração iniciais, estes serão diminuídos (aumentando o tamanho do poro) ou até eliminados;
• - Tratamento e neutralização do curso hídrico peneirado ou do efluente ácido, através do seu direcionamento ao interior do equipamento (b) contendo a casca de camarão em suporte submerso (b.1) com uma disposição estratificada dos resíduos da carcinicultura de forma agrupada em receptáculos individuais fabricados em material permeável, sendo uma disposição altamente efetiva e de baixo custo, por utilizar um suporte específico com vários níveis e um eixo central, adaptável a todo tipo de diâmetros e versátil em função das necessidades específicas do tratamento;
• - Decantação do efluente (c) tratado e eliminação de possíveis resíduos e/ou impurezas no efluente tratado.

Esta dinâmica resulta em uma elevada interação entre os íons e sais originalmente presentes nas águas e a casca de camarão, contribuindo para a adsorção e maior eficiência em termos de remoção. Desta forma, o efluente resultante, já enquadrado nos padrões legais mínimos, pode ser descartado naturalmente ou reaproveitado para fins secundários não potáveis. DIÁRIO DE LABORATÓRIO

[0051] Foram realizados ensaios preliminares em batelada em escala laboratorial para identificação das variáveis significativas e independentes do processo de tratamento e neutralização, sendo estas agitação e dosagem do biorresíduo. Com base nos resultados, foi desenvolvido um planejamento fatorial estatístico que permitiu determinar as condições ideais de remoção em termos dos valores das variáveis. Agitação e dosagem do biorresíduo dependem da acidez e teor em íons metálicos do efluente a ser tratado e devem ser determinadas em cada caso.

[0052] Planejamento fatorial estatístico, especificamente Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR), foi utilizado na otimização dos parâmetros para remediação de íons metálicos das águas ácidas com resíduos da carcinicultura. Os resultados do R2 e ANOVA mostraram a adequação do modelo proposto, onde os valores previstos estatisticamente mostraram-se concordantes com os valores experimentais.

[0053] Assim, com base nas condições ideais estatisticamente definidas, foram realizados os estudos cinéticos e isotérmicos de adsorção que, por sua vez, permitiram a configuração de ensaios em fluxo contínuo descendente em coluna de leito fixo. Os resultados experimentais apontaram a uma cinética de adsorção de pseudo-segunda ordem e ao modelo isotérmico de Freundlich como o melhores modelos que descreveram o processo de tratamento.

[0054] Os resultados dos ensaios da coluna de leito fixo mostraram uma remoção entre 88 - 90% das espécies metálicas monitoradas, com um aumento do pH de 3,49 para 6,77. Este estudo confirmou a adequação do tratamento proposto ao tempo que proporcionou informações relevantes para a projeção do processo de remediação da drenagem ácida de mineração (DAM) em escala piloto.

[0055] O conhecimento obtido do processo de tratamento e neutralização de águas ácidas com casca de camarão permitiu então embasar o sistema de tratamento em escala piloto laboratorial. Como fases prévias à construção do sistema de tratamento em escala piloto laboratorial, foi realizada uma modelagem matemática (Software MatLab R2013a) e design computacional 3D (Software Autodesk AutoCAD 2018) no intuito de aumentar a idoneidade do sistema e sua efetividade. Quatro condições operacionais foram testadas conseguindo um efluente apto para seu reuso secundário não potável conforme a legislação pertinente.

[0056] Os resultados experimentais do piloto indicaram valores de pH e contaminantes em conformidade com os valores máximos permitidos na legislação brasileira para a classificação de corpo hídrico Classe III (CONAMA 357/2005) que permite seu uso secundário não potável, confirmando a idoneidade e funcionalidade do sistema proposto para o tratamento de efluentes ácidos com casca de camarão.

[0057] De forma complementar, a casca de camarão pré e pós-tratamento foi caracterizada. A avalição do tratamento e processamento do exoesqueleto de camarão foi realizada mediante o estudo das características físico-químicas do biomaterial. A caracterização química elementar realizada por Espectrometria de Massas com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-MS) identificou dois grandes grupos, os elementos traços relacionados à constituição de proteínas e pigmentos e os macroelementos constituintes da fração mineral do material. As análises termogravimétricas identificaram a estabilidade térmica da casca de camarão. Através do método BET (Brunauer, Emmett and Tellervolume) e BJH (Barret, Joyner and Halenda) confirmou-se a heterogeneidade da área superficial específica. O tamanho de partícula determinado por Matersizer 2000, e a morfologia superficial estudada por Mícroscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raio-X (EDX) confirmaram a heterogeneidade do biorresíduo. Os resultados indicaram o potencial dos resíduos da casca de camarão como agente neutralizante e adsorvente apropriado, uma vez que seus componentes principais (quitina e CaCO3) e características não foram modificados com a metodologia de processamento proposta.

[0058] A estabilidade do biorresíduo saturado de íons metálicos foi estudada em ensaios de dessorção e inertização por plasma térmico de corrente contínua. Destaca-se ainda a estabilidade do biorresíduo saturado após tratamento das águas ácidas, fato que facilita e simplifica a manipulação e disposição final do mesmo.

[0059] Como fase final, e a partir dos resultados obtidos, realizou-se um estudo de viabilidade econômica do sistema de tratamento proposto como alternativa para sua instalação in situ em minas desativadas, fechadas e/ou abandonadas.

[0060] O baixo custo do tratamento confirmou-se pela efetiva neutralização e tratamento da água ácida, sem necessidade de produtos químicos complementares.

REFERÊNCIAS

[0061] CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente. (2005). N° 357. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. - Data da legislação: 17/03/2005 - Publicação DOU n° 053, de 18/03/2005, págs. 58-63.

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[0067] Nordstrom, D. K., Alpers, C. N., Coston, J. A., Taylor, H. E., McCleskey, R. B., Ball, J. W., Davis, J. A. (1999). Geochemistry, toxicity, and sorption properties of contaminated sediments and pore waters from two reservoirs receiving acid mine drainage.

[0068] Núñez-Gómez, D., Lapolli, F. R., Nagel-Hassemer, M. E., & Lobo-Recio, M. Á. (2020). Optimization of Fe and Mn removal from coal acid mine drainage (AMD) with waste biomaterials: statistical modeling and kinetic study. Waste and Biomass Valorization, 11(3), 1143-1157.

[0069] Núñez-Gómez, D., de Almeida Alves, A. A., Lapolli, F. R., Lobo-Recio, M. A. (2017). Aplication of the statistical experimental design to optimize mine-impacted water (MIW) remediation using shrimp-shell. Chemosphere, 167, 322-329. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.09.094

[0070] Núñez-Gómez, D., Lapolli, F. R., Nagel-Hassemer, M. E., Lobo- Recio, M. Á. (2017). Optimization of acid mine drainage remediation with central composite rotatable design model. Energy Procedia, 136, 233-238. https://doi.org/10.1016/i.egypro.2017.10.248

[0071] Peter, M. G. (1995). Applications and environmental aspects of chitin and chitosan. Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, 32(4), 629-640.

[0072] Robinson-Lora, M. A., Brennan, R. A. (2009). Efficient metal removal and neutralization of acid mine drainage by crab-shell chitin under batch and continuous-flow conditions. Bioresource technology, 100(21), 5063-5071. https://doi.org/10.1016/i.biortech.2008.11.063

[0073] Robinson-Lora, M. A., Brennan, R. A. (2009). Efficient metal removal and neutralization of acid mine drainage by crab-shell chitin under batch and continuous-flow conditions. Bioresource technology, 100(21), 5063-5071. https://doi.org/10.1016/i.biortech.2008.11.063

[0074] Rodrigues, C., Núñez-Gómez, D., Silveira, D. D., Lapolli, F. R., & Lobo-Recio, M. A. (2019). Chitin as a substrate for the biostimulation of sulfate-reducing bacteria in the treatment of mine-impacted water (MIW). Journal of hazardous materials, 375, 330-338.

[0075] Simionato, J. I., Paulino, A. T., Garcia, J. C., Nozaki, J. (2006). Characterization of chitosan and chitin produced from silkworm crysalides. Carbohydrate Polymers, 64(1), 98-103. https://doi.org/10.1016/i.carbpol.2005.10.032.

[0076] Tarpani, R. R. Z., Lapolli, F. R., Lobo-Recio, M. Á. (2015). Removal of aluminum from synthetic solutions and well water by chitin: batch and continuous experiments. Desalination and Water Treatment, 53(13), 3531-3542. https://doi.org/10.1080/19443994.2013.873741.

[0077] Vijayaraghavan, K., Jegan, J., Palanivelu, K., & Velan, M. (2005). Biosorption of cobalt (II) and nickel (II) by seaweeds: batch and column studies. Separation and purification technology, 44(1), 53-59.

Claims (6)

1. EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA, com ênfase nos efluentes ácidos naturais e/ou antropogênicos, visando o reuso secundário não potável do efluente após tratamento, caracterizado pelo uso de resíduos da carcinicultura no processo de tratamento e neutralização de águas;
2. EQUIPAMENTO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA, caracterizado por possuir um conjunto de depósitos interconectados:

   • a) Depósito primário para separação sólido-líquido para separar as frações finas e grosas, onde a filtração é realizada através de elementos de filtração (a1), perpendiculares ao fluxo de água a tratar, constituídos por uma armação de forma geométrica (circular, retangular, quadrada, etc.) e uma malha de filamentos (arame fino, taquara e derivados do bamboo, fibras vegetais, fibras animais e plástico sintéticos, semissintéticos, naturais e/o renováveis, etc.) entrelaçados deixando orifícios simétricos com um tamanho de malha >1,00 Mesh ou conforme necessidade de acordo as características do efluente;
   • b) Tanque de tratamento e neutralização da água com os resíduos da carcinicultura como agente de tratamento, onde os resíduos da carcinicultura são alocados em receptáculos individuais homogêneos, por onde a água tem passagem livre, e dispostos de forma estratificada no interior do dispositivo, mediante a utilização de um suporte em níveis e eixo central, adaptável a todo tipo de diâmetro;
   • c) Decantador hídrico da água tratada para eliminar o material suspenso.
3. PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA que emprega o dispositivo da reivindicação 2, caraterizado pelo ingresso do efluente no dispositivo de tratamento, dito efluente circulando pelos diferentes depósitos do dispositivo, correspondentes às operações unitárias:

   • i. separação líquido-sólido (a) com a separação das frações grosseiras suspensas nas águas/efluentes, através de elementos de filtração (a1);
   • ii. tratamento e neutralização das águas/efluentes filtrados, através do seu direcionamento ao interior do tanque de tratamento e neutralização da água;
   • iii. decantação do efluente tratado para eliminação de potencial material suspenso.
4. EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos resíduos da carcinicultura compreendendo a casca de camarão, cefalotórax anterior, exoesqueleto, tórax e abdômen, segmentos e apêndices, e cauda terminal.
5. EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA, de acordo com reivindicações 1 a 4, caracterizados pela obtenção de um resíduo inerte após o tratamento apto para sua disposição final em aterro industrial.
6. EQUIPAMENTO E PROCESSO PARA TRATAMENTO E NEUTRALIZAÇÃO DE ÁGUAS COM RESÍDUOS DA CARCINICULTURA, de acordo com reivindicações 1 a 4, caracterizado pela obtenção de uma água tratada apta para usos secundários não potáveis.

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