Os contaminantes emergentes são produtos químicos e microrganismos não comumente monitorados no ambiente, mas têm o potencial de causar efeitos adversos na saúde humana e ecossistemas.Este grupo variado inclui produtos farmacêuticos, produtos de cuidados pessoais, compostos de desregulamentação endócrina, pesticidas e produtos químicos industriais. Sua crescente detecção em águas residuais tornou-se uma preocupação crítica para instalações de tratamento de água em todo o mundo, uma vez que os métodos tradicionais de tratamento podem não ser adequados para removê-los. Compreender como esses contaminantes interagem com processos secundários de tratamento de águas residuais é essencial para proteger a qualidade da água e a saúde pública.

Compreender o Tratamento Secundário das Águas Residuais

O tratamento secundário de águas residuais representa a fase biológica do processo de tratamento, após a sedimentação primária. Seu objetivo primário é remover matéria orgânica dissolvida e suspensa, nutrientes como nitrogênio e fósforo e patógenos.Esta etapa depende de microrganismos de ocorrência natural que consomem poluentes orgânicos sob condições controladas.Os sistemas mais comuns incluem lodo ativado, filtros de trinca, contatores biológicos rotativos e reatores de biofilme em leito móvel (MBBRs).

Os sistemas de lodo ativados aeram águas residuais para promover o crescimento de um floco microbiano que metaboliza o material orgânico. Os filtros de trickling utilizam um leito de mídia, como rochas ou plástico, sobre o qual os resíduos residuários se espalham, permitindo que biofilmes microbianos degradem poluentes. Os MBBR combinam crescimento suspenso e processos de biofilme, utilizando pequenos transportadores plásticos que fornecem área de superfície para biofilmes, enquanto são mantidos em suspensão por aeração. Cada sistema tem seus próprios parâmetros operacionais e vulnerabilidades quando expostos a contaminantes emergentes.

O tratamento secundário é concebido para atingir padrões de qualidade de efluentes que reduzem a procura bioquímica de oxigénio (BOD) e os sólidos totais suspensos (ETS) a níveis seguros para descarga em corpos de água naturais ou para um tratamento mais avançado. No entanto, a presença de vestígios de compostos orgânicos e outros contaminantes emergentes pode perturbar este delicado equilíbrio biológico.

A Natureza dos Contaminantes Emergentes

Os contaminantes emergentes podem ser amplamente categorizados em vários grupos com base na sua origem e estrutura química:

  • Farmacêuticas e produtos de cuidados pessoais (PPCPs): Inclui antibióticos, analgésicos, hormônios, protetores solares e fragrâncias. Estes são excretados ou lavados e entram em sistemas de esgoto.
  • Produtos químicos de ruptura endocrina (CED): Tal como o bisfenol A (BPA), os ftalatos e os nonilfenóis, que interferem com os sistemas hormonais na vida selvagem e no ser humano.
  • Substâncias per- e polifluoroalquil (PFAS):] Utilizadas em revestimentos anti-aderentes, espumas de combate a incêndios e têxteis resistentes à água. São extremamente persistentes e bioacumuláveis.
  • Pesticidas e produtos químicos industriais:] Incluindo herbicidas, inseticidas, plastificantes e retardantes de chama.
  • Nanomateriais e microplásticos:] Pequenas partículas de produtos de consumo e processos industriais que podem transportar outros poluentes.

Muitos destes compostos não estão regulados segundo os padrões de qualidade da água actuais, e os seus efeitos a longo prazo sobre os ecossistemas e a saúde humana ainda estão a ser estudados, estando frequentemente presentes em concentrações de vestígios (ng/L a μg/L), o que dificulta tanto a detecção como a remoção.

Impactos nos processos de tratamento secundário

Interferência com a Atividade Biológica

Os microrganismos em sistemas de tratamento secundário são os cavalos de trabalho da degradação da matéria orgânica. No entanto, muitos contaminantes emergentes são biologicamente ativos por design. Os antibióticos, por exemplo, podem inibir seletivamente ou matar espécies bacterianas sensíveis, alterando a estrutura da comunidade microbiana. Isso pode reduzir a capacidade do sistema de tratamento para remover o DBO e nutrientes, levando a uma pior qualidade do efluente.

Compostos antimicrobianos, como o triclosan (uma vez comum em sabões) têm demonstrado reduzir as taxas de nitrificação em plantas de lodo ativado. As bactérias nitrogenantes são particularmente sensíveis a choques tóxicos de resíduos farmacêuticos. Um estudo publicado em Ciência e Tecnologia Ambiental relatou que certos anti-inflamatórios não esteróides (AINEs) podem inibir a respiração microbiana, resultando em taxas de degradação mais lentas e níveis de efluente mais elevados de BOD. Ao longo do tempo, as comunidades microbianas podem mudar para espécies mais resistentes, mas esta adaptação pode vir ao custo da eficiência global do tratamento.

Desafios de Persistência e Remoção

Muitos contaminantes emergentes são recalcitrantes, o que significa que eles resistem à biodegradação durante o tratamento secundário convencional. Os compostos PFAS, por exemplo, têm fortes ligações carbono-fluorina que não são facilmente quebradas por processos biológicos comuns. Estudos mostram que os sistemas de lodo ativado normalmente removem menos de 50% de muitos tipos de PFAS, com cadeias mais curtas PFAS muitas vezes mais persistentes do que as de cadeia longa. Da mesma forma, carbamazepina (um anticonvulsivante) e sulfametoxazol (um antibiótico) frequentemente passam por tratamento secundário quase intacto, sendo detectado em efluentes e águas receptoras.

A persistência destes compostos suscita preocupações quanto ao seu acúmulo no ambiente. Mesmo em baixas concentrações, a exposição crónica pode causar perturbações endócrinas nos peixes e outros organismos aquáticos. Além disso, a presença de antibióticos nos efluentes pode promover o desenvolvimento de bactérias resistentes a antibióticos e genes de resistência, uma ameaça crescente à saúde pública reconhecida pela Organização Mundial da Saúde (OMS).

Alguns contaminantes também podem se transformar em metabólitos mais tóxicos durante o tratamento biológico. Por exemplo, certas fragrâncias como almíscares sintéticos podem ser transformadas em formas mais persistentes e bioacumuláveis.Isso complica as avaliações de risco e demonstra que simplesmente medir a remoção de compostos parentais pode não capturar o risco total.

Efeitos no tratamento e eliminação de lamas

Os contaminantes emergentes não afetam apenas o fluxo líquido; eles também podem particionar no lodo (biossólidos) gerado durante o tratamento secundário. Compostos hidrofóbicos, como triclosan, BPA, e alguns pesticidas tendem a adsorver na fração sólida. Quando biossólidos são aplicados em terras agrícolas como fertilizante, esses contaminantes podem entrar no solo, ser tomados por culturas, ou lixiviar-se em águas subterrâneas. As regras para biossólidos muitas vezes não têm em conta esses contaminantes emergentes, colocando uma rota potencial para exposição humana e danos ecológicos.

Além disso, a presença de agentes antimicrobianos em lodos pode inibir processos de digestão anaeróbia utilizados para estabilização de lodos, redução da produção de biogás e aumento dos custos operacionais.Os operadores podem precisar ajustar os tempos de retenção ou implementar etapas de pré-tratamento para mitigar esses efeitos.

Estudos de Caso e Pesquisas

Vários estudos documentaram os impactos reais de contaminantes emergentes no tratamento secundário.Uma revisão abrangente em Water Research analisou dados de mais de 100 estações de tratamento de águas residuais (WWTPs) na Europa e América do Norte. Constatou que, embora o lodo ativado convencional pudesse remover mais de 80% de alguns compostos como acetaminofeno e cafeína, as taxas de remoção de diclofenac e carbamazepina foram inferiores a 30%. Os filtros de trickling geralmente mostraram menor eficiência de remoção para muitos fármacos em comparação com sistemas de lodo ativado.

Outro estudo realizado em uma PMT na Suécia investigou o efeito dos antibióticos na nitrificação, e os pesquisadores observaram que picos na concentração de ciprofloxacina se correlacionaram com quedas temporárias na eficiência de remoção de amônia, necessitando de suplementação química para manter a conformidade, podendo aumentar os custos operacionais e as violações de risco.

A remoção de microplásticos durante o tratamento secundário também é uma área de pesquisa crescente. Um estudo da Universidade de Toronto descobriu que processos de lodo ativado removem aproximadamente 90% dos microplásticos do afluente, mas os 10% restantes (que podem ser bilhões de partículas por dia) são descarregados em águas receptoras. Além disso, microplásticos podem adsorver outros poluentes, agindo como vetores de compostos tóxicos.

A persistência da PFAS tem levado a um maior escrutínio regulatório.A Agência de Proteção Ambiental (EPA) dos EUA estabeleceu aconselhamentos de saúde para certas PFAS na água potável e está considerando limites mais rigorosos de descarga de efluentes.Recentes pesquisas indicam que o tratamento secundário convencional atinge remoção mínima de PFAS, com balanços de massa muitas vezes não mostrando degradação significativa, apenas particionamento entre as fases líquida e sólida.

Estratégias de Mitigação

Processos avançados de oxidação (AOPs)

Para superar as limitações do tratamento biológico, muitas instalações estão integrando processos de oxidação avançados, quer como uma etapa terciária ou diretamente dentro do trem de tratamento secundário. Os AOPs, como o ozônio (O3) combinado com peróxido de hidrogênio (H2O2), fotólise ultravioleta (UV) e reações de Fenton geram radicais hidroxila altamente reativas que podem quebrar até mesmo os poluentes orgânicos mais persistentes. A ozonização tem se mostrado eficaz para remover muitos fármacos e desreguladores endócrinos, mas pode produzir subprodutos que exigem tratamento adicional. Custos e demandas energéticas permanecem barreiras para a adoção generalizada, mas os recentes avanços na tecnologia UV-LED estão reduzindo os gastos operacionais.

Tecnologias de adsorção

O carbono ativado, tanto em formas em pó (PAC) quanto em granular (GAC), é amplamente utilizado para adsorver contaminantes orgânicos. O PAC pode ser administrado diretamente na bacia de lodo ativado, integrando-se com o tratamento biológico existente. Os filtros GAC, muitas vezes colocados após esclarecimento secundário, fornecem uma etapa de polimento que captura compostos residuais. Estudos mostram que o carvão ativado pode remover mais de 90% de muitos fármacos e pesticidas, embora os custos de saturação e regeneração devem ser gerenciados. Adsorventes alternativos como biocarvão e resinas de troca iônica também estão sendo explorados para classes específicas de contaminantes, como o PFAS.

Biorreatores de membrana (MBRs)

Os biorreatores de membrana combinam tratamento biológico com filtração de membrana (microfiltração ou ultrafiltração).A membrana retém biomassa e material particulado, permitindo maiores concentrações de biomassa e tempos de retenção de lodo mais longos – condições que favorecem o crescimento de bactérias de crescimento lento capazes de degradar compostos recalcitrantes. Os MBRs demonstraram uma melhor remoção de muitos fármacos em comparação com lodos ativados convencionais.No entanto, a incrustação de membranas e o consumo de energia permanecem desafios.A pesquisa em andamento em novos materiais de membrana e estratégias de controle de incrustação está melhorando a viabilidade de MBRs para remoção de contaminantes emergentes.

Otimização de Processos e Bioaumentação

Ajustar parâmetros operacionais pode aumentar a resiliência dos processos biológicos. O aumento do tempo de retenção de lodo (SRT) permite que os micro-organismos se adaptem e degradem lentamente compostos biodegradáveis. Manter níveis mais elevados de oxigênio dissolvido e otimizar as razões de nutrientes também suportam a saúde microbiana. A bioaumentação – a adição de cepas microbianas específicas com capacidades de degradação conhecidas – tem mostrado promessa em estudos de laboratório para compostos como solventes clorados e alguns pesticidas. No entanto, aplicações de campo enfrentam desafios para estabelecer e manter as cepas introduzidas em um ambiente competitivo.

Controle e Pré-tratamento de Fontes

A prevenção de contaminantes emergentes de entrar em sistemas de águas residuais é, em primeiro lugar, uma estratégia de baixo custo, que pode incluir programas de retoma farmacêutica, restrições ao uso de determinados produtos químicos em produtos de consumo (por exemplo, proibição de microbeads em cosméticos) e requisitos de pré-tratamento industrial. Hospitais e indústrias que descarregam altas cargas de produtos farmacêuticos ou químicos podem ser necessários para instalar sistemas de tratamento no local. Campanhas de educação pública sobre a eliminação adequada de medicamentos e produtos químicos domésticos também desempenham um papel.

Uma combinação dessas abordagens é frequentemente necessária. As instalações de tratamento podem precisar implementar um sistema multibarreira que inclua tratamento biológico, AOPs, e adsorção para gerenciar eficazmente a variedade de contaminantes emergentes.

Quadros de regulamentação e de acompanhamento

Padrões atuais

A maioria dos países regula os poluentes convencionais em efluentes de águas residuais – como o BOD, TSS e nutrientes –, mas poucos têm limites específicos para contaminantes emergentes.A União Europeia, através da sua Diretiva-Quadro da Água, incluiu algumas substâncias prioritárias na lista de vigilância, como o diclofenac e alguns hormônios, exigindo que os Estados-Membros os monitorem.Os Estados Unidos não têm regulamentação federal para produtos farmacêuticos em águas residuais, embora alguns estados estejam começando a abordar a PFAS.A regra de monitoramento de contaminantes não regulamentados da EPA periodicamente examina sistemas de água potável para contaminantes emergentes, mas isso não regula diretamente a descarga.

Sem os condutores regulamentares, os serviços públicos podem não dispor de financiamento e de incentivos para melhorar os processos de tratamento. No entanto, a crescente evidência de danos ecológicos, combinada com a pressão pública, está a pressionar os reguladores a considerarem novas normas.Em 2021, a Comissão Europeia propôs uma revisão da Directiva relativa ao tratamento de águas residuais urbanas, que inclui requisitos para eliminar micropoluentes e melhorar a eficiência energética.

Instruções futuras

Avanços na química analítica, como a cromatografia líquida-tandem espectrometria de massas (LC-MS/MS), agora permitem a detecção de contaminantes em concentrações extremamente baixas. Isto permite uma monitorização mais abrangente e avaliação de risco. No entanto, a triagem de todos os contaminantes possíveis é impraticável. Uma abordagem principal é usar o monitoramento baseado em efeitos – medição da atividade biológica do efluente (por exemplo, estrogenicidade) em vez de quantificar cada composto individual. Isto pode identificar misturas e melhorias de tratamento relevantes em termos toxicológicos.

Os quadros regulamentares são susceptíveis de evoluir para abordagens mais holísticas baseadas no risco, tendo em conta os efeitos cumulativos das misturas poluentes. O conceito de "pegada química" e a utilização de padrões de qualidade ambiental (EQS) adaptados a condições específicas estão a ser explorados.

Olhando para a frente

Os contaminantes emergentes representam um desafio complexo e evolutivo para os processos de tratamento de águas residuais secundárias, cuja capacidade de interferir no tratamento biológico, persistir através de processos convencionais e acumular-se no ambiente exige uma resposta proativa.As estratégias mais eficazes combinam controle de fonte, otimização de processos e tecnologias avançadas, como AOPs, carvão ativado e biorreatores de membrana.A pesquisa continuada sobre o destino e efeitos desses compostos, aliadas a regulamentações adaptativas, será essencial para salvaguardar a qualidade da água e a saúde pública.

As soluções emergentes, como os AOPs movidos a energia solar, a remoção biológica de PFAS usando vias enzimáticas específicas e sistemas inteligentes de monitoramento que predizem cargas contaminantes, oferecem caminhos promissores para o futuro.

A colaboração entre pesquisadores, engenheiros, reguladores e o público é fundamental. Ao se manter informado sobre as últimas descobertas e investir em infraestrutura de tratamento resistente, o setor de água pode ficar à frente da maré de contaminantes emergente e garantir que as águas residuais tratadas sejam seguras para o ambiente e para aplicações de reutilização.

Para uma leitura mais aprofundada sobre este tema, o EPA disponibiliza recursos sobre Contaminantes de Preocupação Emergente, e a OMS publicou relatórios sobre Resistência Antimicrobiana em Águas Residência em Águas Residuais. Além disso, revistas acadêmicas como A Pesquisa sobre Água publica regularmente estudos revisados por pares sobre tecnologias de mitigação e destino ambiental.