No país, em torno de 50% das estações de tratamento de água empregam a tecnologia de ciclo completo para tratamento de água de abastecimento, indevidamente denominado como tratamento convencional. Nesta tecnologia, o tratamento consiste em uma sequencia de processos que incluem a coagulação, floculação, sedimentação (ou flotação), filtração, fluoração, cloração e correção de pH.
A coagulação da água bruta geralmente é realizada com um sal de alumínio ou de ferro no mecanismo da varredura, no qual ocorre formação predominantemente de precipitados do metal do coagulante, que aprisionam as impurezas. Esse processo ocorre na unidade de mistura rápida, a qual pode ser hidráulica ou mecanizada, dependendo da vazão a ser tratada, da variação da qualidade da água bruta e, principalmente, das condições disponíveis para operação e manutenção.
Para a floculação, a água coagulada é submetida a agitação lenta durante um período de tempo até que os flocos alcancem tamanho e massa específica suficientes para que sejam removidos por sedimentação nos decantadores ou por flotação nos flotadores. Este processo pode ser realizado em unidades mecanizadas ou hidráulicas. A necessidade da variação da intensidade de agitação, o que é função da qualidade da água bruta, indica a adoção de unidades mecanizadas. Entretanto, sempre que possível, deve-se empregar a floculação hidráulica (DI BERNARDO E DANTAS, 2005).
A clarificação da água floculada antes da etapa de filtração pode ser realizada por sedimentação ou flotação dos flocos. A sedimentação pode ser realizada em decantadores convencionais ou de alta taxa; os primeiros são grandes tanques, de
escoamento horizontal ou vertical, enquanto nos últimos, são empregados módulos de plástico ou placas planas paralelas.
A água clarificada, produzida nos decantadores ou flotadores é finalmente filtrada em unidades com escoamento descendente, contendo materiais granulares com granulometria apropriada, geralmente areia ou antracito e areia. Dependendo da vazão de água a ser tratada e do número de unidades filtrantes, deve-se optar pela filtração com taxa declinante variável, evitando-se o uso de equipamentos de controle de nível ou de taxa. A lavagem do meio filtrante é geralmente realizada com água ou com ar e água.
Antes de ser encaminhada para o abastecimento público, a água filtrada passa pelos processos de fluoração, cloração e correção de pH de acordo com as recomendações apresentadas na Portaria 2914 do Ministério de Saúde (BRASIL, 2011).
Segundo USEPA (2001), Stackelberg et al. (2007), Cardoso (2009), Yang, Yuan e Weng (2010) e Jin e Peldszuz (2012), o processo de tratamento de água por ciclo completo não tem sido efetivo na remoção de microcontaminantes das águas, mesmo em baixas concentrações desses compostos.
Com relação a remoção de agrotóxicos, Miltner et al., (1989) estudaram a remoção dos agrotóxicos alaclor, metolalaclor linuron, carbofuram, atrazina, simazina metribuzin, nos ensaios utilizando equipamento de jarteste com água do rio Ohio, e observaram que eles não foram removidos. Lambert e Grahan, (1995) apresentaram uma revisão referente à remoção de agrotóxicos em sistemas de tratamento convencional (atrazina, simazina, cianina, linuram 2,4 D e lindano), na qual verificou-se que a remoção ficou entre 0 a 40% para a maioria dos compostos, sendo que para o 2,4 D a eficiência de remoção foi nula. Broseus et al. (2009) e Coelho (2002) também relatam que o processo de tratamento convencional não é eficiente na remoção de atrazina.
Diante dessa situação, é necessária a adoção de processos alternativos de tratamento que possuam uma maior eficiência na remoção de microcontaminantes. Como
exemplos dessas alternativas, pode-se citar a filtração lenta, a separação por membranas, oxidação com ozônio, processos oxidativos avançados e a adsorção em carvão ativado.
Dentre os processos citados, a adsorção em carvão ativado granular (CAG) é o que oferece a melhor relação custo x eficiência por sua capacidade em remover compostos orgânicos sintéticos da água (SCHIDEMAN et al., 2007; WHO, 2011). Segundo Stackelberg et al. (2007), em uma pesquisa realizada com 113 compostos orgânicos sintéticos, incluindo agrotóxicos, verificou-se que o processo convencional de tratamento de água associado com a filtração em colunas de CAG foi efetivo na remoção de vários desses compostos em águas.
3.2.1 Coagulação
A coagulação química, a qual é realizada normalmente através da adição de sais de alumínio ou ferro, é considerada a etapa de maior importância no tratamento de águas com filtros rápidos, precedidos ou não de decantadores e/ou flotadores. Esta operação é resultado da reação do coagulante com a água, formando espécies hidrolisadas com carga positiva, e do contato destas espécies com as impurezas. Assim, a força iônica do meio é alterada, permitindo que partículas se aproximem e se juntem, formando flocos que podem ser removidos através de sedimentação, flotação e/ou filtração. Tais impurezas – dentre as quais destacam-se: partículas coloidais, substâncias húmicas e organismos – possuem cargas superficiais negativa, o que impede a sua aproximação, permanecendo, portanto, suspensas no meio se suas características não forem alteradas.
Segundo Di Bernardo e Dantas (2005), atualmente considera-se a coagulação como a atuação individual ou a combinação de quatro mecanismos distintos: compressão da camada difusa; adsorção e neutralização de cargas; varredura; e formação de pontes.
O mecanismo da varredura é importante quando se deseja formar flocos de maior
tamanho e com velocidades de sedimentação relativamente altas se comparados com flocos obtidos através da coagulação em outros mecanismos.
O mecanismo da varredura é muito utilizado nas estações de tratamento de água nas quais a floculação e sedimentação (ou flotação) antecedem a filtração rápida.
De acordo com a dosagem de coagulante adicionada, do pH da mistura e da concentração de alguns tipos de íons na água, poderá ocorrer a formação de precipitados.
As partículas coloidais presentes comportam-se como núcleos de condensação para estes precipitados.
Armitharajah e Mills (1982) propuseram uma forma mais simples de se estudar a coagulação, baseada nos diagramas de solubilidade do alumínio e nas condições de coagulação, como dosagem de Al2(SO4)3 x 14,3 H2O e pH da mistura, de uma água com turbidez relativamente alta se comparada com a cor verdadeira. Neste diagrama (Figura 3.1), além das curvas das espécies hidrolisadas do alumínio, há a delimitação das regiões nas quais predominam os diferentes mecanismos de coagulação.
Segundo os autores, o diagrama da Figura 3.1 corresponde a uma situação particular do uso do diagrama de coagulação do sulfato de alumínio, pois as linhas que delimitam as regiões se alteram com as características da água. Dentre estas, mostradas no diagrama e delineadas pelo pH de coagulação e dosagem de coagulante, destaca-se a da coagulação na varredura com pH normalmente entre 6 e 8, e com dosagens de Sulfato de Alumínio geralmente maiores que 30 mg/L. Esta região é relativamente ampla para uma mesma eficiência de remoção de turbidez por sedimentação.
Figura 3.1 – Diagrama típico de coagulação com o sulfato de alumínio e potencial zeta para água com turbidez alta em relação a cor verdadeira (Fonte: DI BERNARDO E DANTAS, 2005)
É importante esclarecer que não há dosagem ótima de coagulante, tampouco pH de coagulação ótimo. Na verdade existe um par de valores “dosagem de coagulante x pH de coagulação” apropriado para cada situação, levando em conta a necessidade de utilização de acidificante ou alcalinizante, os custos dos produtos químicos, a turbidez remanescente desejada, etc. Para a escolha deste par de valores, Pavanelli (2001) reforça a importância de se construir o diagrama de coagulação para cada água de estudo e, assim, definir as regiões de maiores remoção de turbidez.