Pirita

npj Clean Water volume 6, número do artigo: 59 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A contaminação microbiana e por nitratos das águas subterrâneas pode ocorrer em países que enfrentam intensa urbanização e saneamento inadequado. Quando as águas subterrâneas são a principal fonte de água potável, como acontece frequentemente nesses países, a necessidade de remover estes contaminantes torna-se premente. A combinação de duas tecnologias é proposta aqui, uma etapa biológica para desnitrificar e uma etapa eletroquímica para desinfetar as águas subterrâneas, visando assim reduzir o insumo químico e a pegada do tratamento das águas subterrâneas. Como tal, um reator de leito fluidizado à base de pirita (P-FBR) foi construído para desnitrificar autotroficamente as águas subterrâneas poluídas. O efluente P-FBR foi desinfetado em célula eletroquímica com Cl2 eletrogerado. O nitrato foi removido com 79% de eficiência de 178 mg iniciais de NO3-L-1 a uma taxa média de desnitrificação de 171 mg NO3-L-1 d-1, com tempo de retenção hidráulica (TRH) de 18 horas. A unidade eletroquímica alcançou uma redução de 3,8 log nos coliformes totais com uma densidade de carga de 41,7 A hm-3.

As águas subterrâneas constituem a principal fonte de água potável nos países de baixo rendimento, principalmente nos países subsarianos, onde a percentagem destinada aos sectores agrícola e industrial é baixa, bem como em países como a Irlanda e o Reino Unido, onde estes sectores são principalmente dependentes da chuva1,2 . Os principais factores de deterioração da qualidade das águas subterrâneas são as más instalações sanitárias, a libertação descontrolada de águas residuais domésticas e industriais tratadas e doentes, a criação de gado com distribuição descontrolada de estrume e intensas actividades de fertilização. As condições locais podem intensificar a poluição das águas subterrâneas, tais como aquíferos vulneráveis ​​e a intensificação de condições climáticas extremas1,3,4,5.

Concentrações elevadas de nitrato (NO3-), cloreto (Cl-), bem como indicadores microbianos, como coliformes fecais e totais (CT), sugerem poluição antrópica das águas subterrâneas. Concentrações de nitrato tão altas quanto 500 mg NO3-L-1 foram relatadas em áreas periurbanas de países de baixa renda, juntamente com 300 mg Cl-L-1 e 2 log UFC 100 mL-1 de Escherichia coli (E. coli) e 4 log UFC 100 mL−1 TC4,5,6. As concentrações variam amplamente com as condições geológicas locais e com a fonte de contaminação. Como forma de combater doenças transmitidas pela água, a OMS estabeleceu um máximo de 50 mg NO3− L−1 e 0 UFC 100 ml−1 para CT na água potável7.

As águas subterrâneas são pobres em conteúdo orgânico, portanto os esquemas de tratamento convencionais, incluindo a desnitrificação heterotrófica, não são financeiramente sustentáveis. Uma opção é direcionar a desnitrificação autotrófica das águas subterrâneas com doadores de elétrons, como gás hidrogênio (H2), enxofre elementar (S0), sulfeto (HS−), tiossulfato (S2O32−), ferro ferroso (Fe2+) ou mesmo pirita (FeS2)8. 9. Com base nas respectivas equações estequiométricas, as capacidades de desnitrificação variam de 2,5 g NO3−-N g−1 e− doador para H2 a 0,05 e 0,1 g NO3−-N g−1 e− doador para ferro reduzido (Fe2+ e Fe0)9, 10. A desnitrificação conduzida pela pirita ocorre naturalmente em aquíferos e a oxidação de FeS2 é acoplada à redução microbiana de NO3- a nitrogênio gasoso (N2), com uma proporção estequiométrica de 3 mol de NO3:1 mol de FeS2, acompanhada pela produção de 2 mol de SO42 − 12,15. Além disso, o FeS2 tem sido utilizado no tratamento de águas residuais de baixa C/N16,17, bem como na desnitrificação de águas subterrâneas, principalmente em testes de garrafa18,19. A pirita é um mineral onipresente e de baixo custo, frequentemente encontrado como resíduo de atividades de mineração20. Além disso, durante a desnitrificação do FeS2 é mantido um pH circunneutro, resultando na minimização de insumos químicos para esse processo .

Além da desnitrificação, são necessárias etapas de polimento para fornecer água potável ou para irrigação segura, pois a carga microbiana do efluente desnitrificado não permitirá o consumo direto ou a reutilização21. Várias práticas de desinfecção têm sido utilizadas até agora para polir efluentes de tratamento de água e a oxidação química, seja com cloro livre, ozônio (O3) ou UV, é geralmente preferida para reutilização de água potável22. No entanto, métodos alternativos de desinfecção estão sendo procurados para proporcionar ao processo de tratamento independência química e de grade, incluindo a desinfecção eletroquímica, também chamada de eletrocloração quando o cloro livre é o agente químico produzido23. Na eletrocloração, os íons cloreto (Cl−) contidos naturalmente nas águas subterrâneas são oxidados a cloro (Cl2) na superfície de um eletrodo, quando uma fonte constante de corrente é aplicada por uma fonte de energia externa24,25. O Cl2 produzido mistura-se com o eletrólito a granel e sofre hidrólise, produzindo dois potentes desinfetantes: ácido hipocloroso (HOCl) e hipoclorito (OCl−). A proporção dos dois é determinada pela solução pH26,27. A desinfecção eletroquímica foi testada para tratar diretamente águas subterrâneas ou de irrigação contaminadas com patógenos28,29,30, mas também como etapa de polimento para efluentes de biorreatores27,31. A eficiência da desinfecção dependerá do material do ânodo, da concentração de Cl− do eletrólito, do pH e do conteúdo de orgânicos e amônia da água a ser tratada22.