Um tanque oxida; uma linha remove
Um tanque de lodo ativado com ar remove matéria orgânica, porque a biologia que cresce ali a consome. Ele não remove nitrogênio nem fósforo de forma controlada por si só. O nitrogênio só deixa o sistema quando um íon de nitrato se transforma em nitrogênio gasoso e escapa para a atmosfera, e o fósforo só sai quando é ligado a um lodo que depois é retirado da estação. Os dois precisam de uma zona sem oxigênio, e é por isso que uma estação de remoção de nutrientes é construída como uma sequência de tanques, e não como um só.
O arranjo A²/O — anaeróbio, anóxico, aeróbio — é a disposição comum para esgoto municipal onde se aplicam limites de nitrogênio e de fósforo. Cada zona abriga um conjunto diferente de condições, e cada conjunto seleciona uma reação diferente, e é essa a razão de seu volume ser o que é.
A zona anaeróbia libera fósforo
A zona anaeróbia é o primeiro tanque da linha e o mais frequentemente mal interpretado. Ela não tem oxigênio nem nitrato, e a biologia que prospera ali capta ácidos graxos voláteis e os armazena. Para fazer isso, esses organismos liberam fosfato de suas células para a água, de modo que essa zona eleva a concentração de fosfato em vez de baixá-la.
Essa liberação não é um defeito, mas a primeira metade de um mecanismo de duas etapas. Os mesmos organismos captam muito mais fosfato na zona aeróbia do que liberaram aqui, e o excesso vai para o lodo. O fósforo não é destruído em nenhum momento; ele é concentrado no lodo descartado, e é assim que a estação o remove. A prática nacional dá ao tanque anaeróbio um tempo de detenção hidráulica de 1–2 h (GB 50014-2021); um tempo muito maior arrisca a dominância da biologia errada.
A zona anóxica transforma nitrato em nitrogênio gasoso
O segundo tanque recebe o licor misto sem oxigênio livre presente, e é ali que o nitrogênio é de fato removido. As bactérias desnitrificantes usam o nitrato como fonte de oxigênio, e o nitrato é reduzido a nitrogênio gasoso, que deixa a água e se junta à atmosfera. A reação precisa de uma fonte de carbono orgânico, e o afluente a fornece.
Duas condições precisam valer ao mesmo tempo. Não pode haver oxigênio dissolvido, porque as bactérias o usariam em preferência ao nitrato e a redução pararia. E precisa chegar nitrato, e é por isso que o nitrato produzido na zona aeróbia é retornado à zona anóxica pelo circuito de recirculação. A prática nacional dá ao tanque anóxico um tempo de detenção hidráulica de 0.5–3.0 h (HJ 576-2010), faixa mais ampla que a do tanque anaeróbio porque o tempo necessário depende de quanto nitrato retorna e de quanto carbono está disponível.
A zona aeróbia conclui o trabalho
O terceiro tanque é aerado, e duas coisas acontecem nele. A amônia é oxidada a nitrato pelas bactérias nitrificantes, a etapa que torna o nitrogênio removível: sem nitrificação o nitrogênio permanece como amônia e nenhuma zona anóxica consegue retirá-lo. E os organismos acumuladores de fósforo captam fosfato da água para suas células, a etapa de captação para a qual a liberação anaeróbia os preparou.
A zona aeróbia também oxida a matéria orgânica restante, então ela carrega a maior parte da energia de aeração da estação. O licor misto sai desse tanque para um decantador secundário, onde o lodo sedimenta e é separado. O lodo de retorno mantém a biologia no sistema, e o lodo de descarte é o que carrega o fósforo para fora dele.
A/O, A²/O e aeração prolongada
A linha A/O dispensa o tanque anaeróbio e mantém os estágios anóxico e aeróbio. Ela remove nitrogênio e matéria orgânica, e o menor número de tanques a torna mais simples, mas sem a etapa de liberação anaeróbia a remoção de fósforo fica limitada. Uma linha A/O ou A²/O com decantador secundário e desinfecção normalmente entrega os níveis menos exigentes da GB 18918-2002 — Nível 1B e Nível 2 — e onde só a matéria orgânica é controlada a biologia pode recuar para a oxidação biológica por contato.
O Nível 1A, o mais rigoroso publicado no gráfico de padrões, é outro problema. Seu limite de fósforo total é 0.5 mg/L contra 1 mg/L no Nível 1B, e o tratamento biológico comum não o alcança de forma confiável; o nível costuma ser atendido com um filtro ou uma membrana após o estágio biológico, ou com dosagem química. Seu limite de nitrogênio total de 15 mg/L, contra 20 mg/L no Nível 1B, obriga a dimensionar a zona anóxica com margem, em vez de tratá-la como um detalhe posterior.
A aeração prolongada é o terceiro arranjo, e é a convenção do Oriente Médio, e não uma convenção de norma nacional. O guia da MEWA saudita a descreve como tempo de aeração de 18–36 h, sólidos suspensos do licor misto de 3000–6000 mg/L e idade do lodo de 10–30 dias. Ela não precisa de membrana, mas exige mais volume de tanque que qualquer uma das linhas por zonas acima.
O que as zonas decidem sobre o volume de tanque
As definições de zona se traduzem em volume de tanque, porque volume é vazão multiplicada por tempo de residência: V = Q × TDH. O tanque anaeróbio com 1–2 h e o tanque anóxico com 0.5–3.0 h são pequenos ao lado do tanque aeróbio, que carrega o tempo de aeração e, portanto, a maior parte do volume. Quando a remoção de fósforo é o objetivo principal, o tempo de retenção de sólidos é fixado em 3.5–7.0 dias (GB 50014-2021), e esse número define quanto lodo a estação mantém, e não o tamanho de um tanque isolado. A divisão entre os volumes anóxico e aeróbio não é fixada pela norma; ela é equilibrada contra as metas de nitrogênio e fósforo.
Uma questão de zonas, não de separação
As zonas aqui descritas governam o que é removido da água. Uma decisão separada é como a biologia é mantida e como é separada da água tratada, que é o tema da comparação entre MBR, MBBR e SBR. Uma estação pode operar zonas A²/O com uma membrana em vez de um decantador, ou manter a biologia como biofilme. A sequência de zonas e o método de separação são duas escolhas diferentes, e o guia de seleção as toma nessa ordem.