Influência da coagulação na filtração direta

WAGNER & HUDSON (1982), ao avaliar dados operacionais de diversas estações de filtração direta de vários países, inclusive do Brasil, detectaram o enorme potencial de se trabalhar com baixas dosagens de coagulante na filtração direta ascendente. Aqueles pesquisadores julgaram que os resultados práticos por eles levantados, particularmente quanto à efetiva desestabilização de partículas com dosagens baixas de sulfato de alumínio, pareciam consistentes com o diagrama de coagulação, apresentado por AMIRTHARAJAH & MILLS (1982).

Uma importante contribuição dada por WAGNER & HUDSON (1982) foi a apresentação de um ensaio simples de bancada utilizando o aparelho de jarteste para uma avaliação rápida da potencialidade de determinada água ser tratada por filtração direta descendente. Os resultados assim obtidos foram compatíveis com os obtidos em estudos em escala piloto e protótipos, com economia de tempo e de recursos. O teste de bancada é

aplicado para identificar as dosagens mínimas necessárias para a coagulação de forma a produzir uma água com baixa turbidez após a mesma ser filtrada em filtro de papel padrão de laboratório (Whatman 40). No entanto, o melhor coagulante, o polímero mais efetivo, a dosagem ótima, a seqüência de aplicação, a intensidade e tempo de mistura ideais devem ser obtidos em instalação piloto de escoamento contínuo. A técnica recomendada pelos autores dura de 2 a 3 minutos, e o papel deve ser usado apenas uma vez e descartado. Segundo os autores, quando a dosagem requerida para obter água filtrada com baixa turbidez é inferior a 6 ou 7 mg/L com adição de pequena dosagem de polímero, então a água bruta tem o potencial de ser tratada por filtração direta descendente.

DI BERNARDO (1985), com base no trabalho de WAGNER & HUDSON (1982), procurou avaliar a potencialidade do emprego da filtração direta ascendente para água proveniente de represa, cujas características favoreciam a aplicação da técnica. Foram realizados testes de bancada com a filtração em filtro de papel Whatman 40 e também ensaios em instalação piloto. Os resultados mostraram que havia uma consistência dos dados quando se comparava a turbidez da água filtrada obtida pelos dois métodos, sendo que, após decorridos cerca de 30 minutos de filtração na instalação piloto, os resultados obtidos eram melhores ou iguais àqueles em filtro de papel.

Num trabalho de campo realizado na estação de tratamento de água de São Carlos - ETASC, MENDES (1985), utilizando instalação piloto de filtração direta ascendente, comprovou o melhor desempenho dos filtros quando se aplicava uma dosagem de sulfato de alumínio menor do que aquela adotada em escala real em ciclo completo. Foram operados dois filtros em paralelo, e, num deles, era realizada a filtração com a aplicação de água coagulada na ETASC, e no outro, era usada água coagulada com dosagem menor de sulfato de alumínio (redução de 25, 50 e 75% na dosagem da ETASC). As principais conclusões foram: a) a duração das carreiras era inversamente proporcional à dosagem de sulfato de alumínio utilizada; b) as dosagens utilizadas em estações de tratamento convencionais não são ideais para o tratamento de filtração direta ascendente, pois as carreiras de filtração resultam muito reduzidas, devido à ocorrência prematura do transpasse de sólidos; c) o valor do pH de coagulação que otimiza a eficiência do sistema estudado é inferior ao comumente utilizado para condições ótimas de coagulação em sistemas convencionais, podendo-se, em função da alcalinidade da água bruta, eliminar a utilização de cal no processo de coagulação.

AMIRTHARAJAH (1989) apresentou resultados obtidos num estudo em escala piloto, no qual, mais uma vez, comprovou a validade do uso do diagrama de coagulação como ferramenta para obtenção das condições ideais de pH e dosagem de sulfato de alumínio em estações de filtração direta descendente. A instalação, com filtro de camada dupla, foi

operada com taxa de 320 m3/m2.d. Os resultados estão apresentados na Figura 3.21 para dosagens de sulfato de alumínio iguais a 5 e 8 mg/L. As profundidades indicadas são aquelas em que foram coletadas amostras da água ao longo do filtro. As variáveis pesquisadas foram o pH e a dosagem. A turbidez indicada é a da água filtrada após 7 horas de funcionamento. Na referida figura também foram colocadas faixas do diagrama de coagulação do sulfato de alumínio, delimitando as regiões de neutralização de cargas e de reestabilização correspondentes a cada dosagem específica utilizada. Na Figura 3.21a é mostrado que a maior eficiência na filtração para a dosagem de 5 mg/L ocorreu para pH entre 6,9 e 7,0, correspondente à região corona de neutralização de cargas. Verifica-se na Figura 3.21b que, para uma dosagem maior (8 mg/L), a região de maior eficiência na filtração ampliou-se para a faixa de pH de 6,9 a 7,1, mas permaneceu coincidente com a região de neutralização de cargas. O autor verificou também, a partir de dados relatados na literatura, que a maioria das estações de filtração direta operavam com dosagens de sulfato de alumínio na faixa de 2 a 20 mg/L e pH entre 6,5 e 7,5, caindo no domínio que corresponde à região de neutralização de cargas com adsorção das espécies hidrolisadas de alumínio às partículas.

b) DSA = 8 mg/L a) DSA = 5 mg/L

Figura 3.21 - Turbidez da água filtrada em função do pH para as dosagens de 5 e 8 mg/L de sulfato de alumínio - Fonte: AMIRTHARAJAH (1989)

Para superar algumas das limitações da pré-filtração em pedregulho com escoamento horizontal – PFHP, para tratamento posterior com filtração lenta ou rápida, e torná-la mais adequada à aplicação urbana, AHSAN et al. (1996a) investigaram, em instalação piloto, a aplicação de coagulante químico antecedendo a PFHP. Esse processo modificado é denominado de filtração direta em pedregulho com escoamento horizontal - FDHP. Os autores realizaram ensaios em jarteste para obtenção de um diagrama de coagulação similar ao apresentado por AMIRTHARAJAH & MILLS (1982), porém para água com turbidez elevada (200 uT).

Na Tabela 3.4 e Figura 3.22 são apresentados os resultados dos ensaios de FDHP (taxa de filtração de 120 m3/m3.d e comprimento do FDHP de 8,0 m) em que foi variada a dosagem de coagulante para o pH de 8,1. Na Tabela 3.5 e Figura 3.23 são apresentados os resultados dos ensaios de FDHP (taxa de filtração de 120 m3/m3.d e comprimento do FDHP de 8,0 m) em que foi variado o pH de coagulação para a dosagem de alumínio de 1 mg/L.

Com base no diagrama de coagulação obtido por AHSAN et al. (1996a) e na Figura 3.11, os mesmos concluíram que para a dosagem de 2 mg/L de Al+3, o mecanismo predominante foi o de varredura, e ocorreu uma excelente remoção de partículas. Para a dosagem de 1 mg/L de Al+3 a turbidez do efluente foi mais alta (2 a 6 uT) e houve provavelmente uma combinação dos mecanismos de neutralização de cargas e varredura, e para 0,5 mg/L de Al+3 as partículas foram insuficientemente desestabilizadas e resultaram em menor eficiência.

Tabela 3.4 - Desempenho da FDHP em função da dosagem de coagulante Turbidez inicial = 200 uT, pH = 8,1, Comprimento do FDHP = 8 m e Taxa de filtração = 120 m3/m2.d

Adaptada de AHSAN et al. (1996a)

Dosagem Al+3 (mg/L) Amadurecimento do Filtro (h) Duração carreira de filtração (h) Perda de Carga Total (cm) Turbidez Efluente (uT) 0,5 10 86 13,7 6,0 1,0 5 90 16,5 2,0 2,0 2 60 15,9 0,3 4,0 < 1 24 10,1 0,2

0,5 m g/L (AlIII ) / L 1,0 m g/L (AlIII ) / L 2,0 m g/L (AlIII ) / L 4,0 m g/L (AlIII ) / L 120 50 20 30 40 10 0 60 70 80 90 100 110 130 140 T empo de funcionamento (h) T u rb id e z e flu e n te ( u T ) 15 30 25 20 35 40 05 10 0

Figura 3.22 - Desempenho da FDHP em função da dosagem de coagulante Turbidez inicial = 200 uT, pH = 8,1, Comprimento do FDHP = 8 m e Taxa de filtração = 120 m3/m2.d

Adaptado de AHSAN et al. (1996a)

As dosagens empregadas sugerem que o mecanismo de coagulação mais apropriado para a FDHP consiste na combinação da varredura e neutralização, mostrando-se similares às utilizadas na filtração direta (entre 0,5 e 1,5 mg/L de Al+3) para este tipo de água, tendo sido efetivos para ampla faixa de variação do pH (entre 6,5 e 8,5) – Figura 3.23 e Tabela 3.5.

Tabela 3.5 - Desempenho da FDHP em função do pH de coagulação Turbidez inicial = 200 uT, Dosagem Al+3 = 1,0 mg/L; Comprimento do FDHP = 8 m e Taxa de

filtração = 120 m3/m2.d - Adaptada de AHSAN et al. (1996a)

pH de Coagulação Amadurecimento do Filtro (h) Duração carreira de filtração (h) Perda de Carga Total (cm) Turbidez Efluente (uT) 6,0 3 58 10,7 6,0 7,0 5 74 19,0 1,3 7,8 5 95 17,2 2,1 8,1 5 90 16,5 2,0

Te m po de func io na m e nto (h) 50 20 30 40 10 0 60 70 80 90 100 25 10 15 20 05 0 40 35 30 pH = 8,1 pH = 7,0 pH = 7,8 pH = 6,0

Figura 3.23 - Desempenho da FDHP em função do pH de coagulação Turbidez inicial =200 uT, Dosagem de Al+3 = 1 mg/L, Comprimento do FDHP = 8 m e Taxa e

filtração = 120 m3/m2.d - Adaptado de AHSAN et al. (1996a)

Segundo DI BERNARDO et al. (2000), a avaliação preliminar da potencialidade do emprego da filtração direta descendente ou da filtração direta ascendente pode ser realizada através da determinação da dosagem de coagulante, requerida para o tratamento de águas dos mananciais em estudo, na época de chuvas, utilizando FLP (Whatman 40), desde que os valores máximos de alguns parâmetros não superem os sugeridos a seguir: turbidez = 25 uT, cor verdadeira = 50 uH, algas filamentosas ou concentração total de algas = 100 ind./mL, concentração protozoários, rotíferos e metazoários = 500 ind./L. Caso contrário, os resultados produzidos utilizando o FLP (Whatman 40), podem diferir daqueles que conduzem aos melhores resultados nos meios filtrantes usualmente empregados para esta tecnologia.

Na maioria dos estudos realizados, é difícil detectar, após coagulação, floculação e sedimentação, a região de coagulação denominada “corona”, na qual se tem a coagulação no mecanismo de neutralização de carga pelo precipitado com carga positiva. Durante algum tempo foi usado o filtro de papel Whatman 40, o qual possui abertura média igual a 8,4 µm, para determinar a dosagem de coagulante e o pH de coagulação correspondentes àquele mecanismo, porém, quando a turbidez excede um determinado valor, ocorre colmatação do filtro de papel, dificultando a observação das condições de coagulação apropriadas para a filtração direta. Na Figura 3.21 viu-se que os melhores resultados na filtração são obtidos naquela região mencionada, o que tem sido confirmado quando são usados filtros de laboratório, acoplados a equipamento de jarteste (ver Figura 3.24). Após a coagulação nos diferentes jarros do equipamento, é executada a filtração, medindo-se a turbidez do filtrado de amostras coletadas em diferentes tempos de filtração (entre 10 e 40 min).

Em função da turbidez da água de estudo, DI BERNARDO et al. (2002a) comprovaram que há necessidade de utilizar areias com diferentes granulometrias como meio filtrante para determinar as condições de coagulação (dosagem de coagulante x pH de coagulação), como mostrado na Tabela 3.6. Procedimentos detalhados a respeito da execução de ensaios em filtros de laboratório podem ser encontrados em livro específico sobre ensaios de tratabilidade (DI BERNARDO et al., 2002a).

TUBO DE ACRÍLICO TRANSPARENTE 19 mm DE DIÂMETRO

COTA DE SAÍDA

DE ÁGUA FILTRADA COTA DO TOPO DO MEIO FILTRANTE 25 cm

CANO DE COBRE

AREIA ADERIDA À PAREDE "CAP" DE PVC

TELA METÁLICA

MANGUEIRA FLEXÍVEL DE SILICONE ESPIGÃO DE LATÃO 3/8"

ESPESSURA DO MEIO FILTRANTE

15 cm

Figura 3.24 – Filtro de laboratório de areia

Tabela 3.6 – Resumo dos resultados de filtração em filtro de laboratório com areia de diferentes granulometrias – Fonte: (DI BERNARDO et al., 2002a).

Dosagens (mg/L) Valores obtidos Turbidez da Água de Estudo (uT) Tamanho dos Grãos de Areia (mm) Sulfato de Alumínio Carbonato de Sódio (mg/L) Sulfato de Alumínio (mg/L) Carbonato de Sódio (mg/L) pH de Coag. Turbidez Filtrado Coleta a 20 min (uT) 15,3 0,3 a 0,59 4 a 11 0 7,5 0 6,38 0,32 25 0,3 a 0,59 2,5 a 11 0 9,3 0 5,64 0,29 63,5 0,42 a 0,84 12 a 21 0 a 9 17 8 6,34 0,25 85,5 0,42 a 0,84 17 a 30 7 a 15 17 8 6,59 0,22 160 0,59 a 1,41 17 a 25 6 a 12 17 8 6,57 0,37 236 0,59 a 1,41 17 a 30 8 a 15 21 10 6,56 0,3 351 0,59 a 1,41 21 a 34 10 a 17 25 12 6,37 0,32

No trabalho realizado por KURODA (2002) em instalação piloto de dupla filtração composta por filtração direta ascendente em pedregulho seguida da filtração rápida descendente, a determinação das condições de coagulação em função da qualidade do filtrado em filtro de laboratório de papel (FLP) e ou filtro de laboratório de areia (FLA) resultaram, para alguns ensaios, em água coagulada com valores negativos de potencial zeta, produzindo porém, ótimos resultados com relação à qualidade dos efluentes filtrados e duração da carreira. Este fato sugere que a escolha dos parâmetros de coagulação baseada somente no critério da medida do potencial zeta da água coagulada próxima de zero apresenta restrições, sendo fundamental a realização de ensaios de filtração direta em FLP ou FLA, adequados às características da água bruta em questão. KURODA (2002) também concluiu que a utilização do FLA nos ensaios de laboratório para determinação das condições de coagulação química, produziu resultados satisfatórios, especialmente nos ensaios que apresentaram maior sensibilidade às variações das condições de coagulação e da qualidade da água, comparado ao FLP.