22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina
I-168 - REMOÇÃO DE COR VERDADEIRA EM FILTRAÇÃO LENTA COM E SEM CARVÃO ATIVADO, PRECEDIDA DE PRÉ-OXIDAÇÃO COM PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO E OZÔNIO
Edson Pereira Tangerino
Prof. da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira –UNESP
Pós-graduando de doutorado em Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos - USP
Luiz Di Bernardo (*)
Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo
(*) Av. Trabalhador São-Carlense, 400 São Carlos – São Paulo
CEP 13566 - 590 – Brasil Tel. xx(16) 2739528
E- mail: bernardo@sc.usp.br
RESUMO
A cor verdadeira em água bruta de abastecimento é devido principalmente à presença de substâncias húmicas e tem recebido a atenção de inúmeros pesquisadores nas últimas décadas, pois pode gerar subprodutos ao ser exposta a agentes oxidantes e desinfetantes. A filtração em múltiplas etapas (FiME) se apresenta como uma alternativa para realizar o tratamento de água de comunidades de pequeno porte, entretanto, a eficiência quanto à remoção de cor verdadeira associada ao carbono orgânico dissolvido ou às substâncias húmicas, tem sido questionada ou relatada como baixa. A filtração lenta com
pré-ozonização vem sendo utilizada, pois o ozônio atua nas moléculas da matéria orgânica, aumentando sua biodegradabilidade e seus subprodutos desaparecem logo após a aplicação. A aplicação conjunta do ozônio e peróxido de hidrogênio, tem o objetivo de produzir espécies com radicais livres, de vida curta, que sejam altamente reativos e possam oxidar a maior parte das substâncias presentes na água natural.
A presente pesquisa analisou a remoção de cor verdadeira em FiME, com filtro lento com camada de carvão ativado granular (CAG) e com pré-oxidação com ozônio e peróxido de hidrogênio. Obteve-se, como principal conclusão, que os filtros lentos com CAG,
precedidos de oxidação com ozônio e depois peróxido de hidrogênio, apresentaram remoção média de cor verdadeira de 64%.
Palavras chave: Substâncias húmicas, filtração lenta, oxidação, ozônio, peroxônio
INTRODUÇÃO
A cor natural em geral é devida a presença de matéria orgânica proveniente da degradação de plantas e animais. Esses materiais degradados são denominados substâncias húmicas. As partículas coloidais que conferem cor à água são extremamente finas e, segundo BLACH & CHRISTMAN apud ARBOLEDA (2000), as partículas têm tamanhos que variam de 3,5 a 10 m m, valores bem próximos do limite entre dispersão coloidal e solução verdadeira. Segundo ARBOLEDA (2000), existe discussão entre os pesquisadores se as substâncias que conferem cor à água estão completamente dissolvidas ou em estado coloidal. Outra característica da cor é que sua intensidade diminui com a diminuição do pH, devido às características eletronegativas das partículas presentes no meio, segundo DI
BERNARDO (1993).
Segundo RATNAWEERA et al. (1999), em determinados tipos de águas as cores
produzidas por várias frações de peso molecular não são semelhantes. Na maioria dos casos analisados pelos autores, cerca de 40% da cor era causada por frações de matéria orgânica natural com peso molecular abaixo de 10 000 daltons e aproximadamente 33% da cor são devidos a frações de peso molecular acima de 50 000 daltons, para todas as águas. Com o aumento da atividade humana, interferindo nas condições de proteção dos
mananciais, surgiu a necessidade de se efetuar o pré-tratamento da água a ser utilizada pela filtração lenta. O processo de filtração em múltiplas etapas se apresenta como a melhor alternativa para essa finalidade, sendo uma combinação de tratamentos em filtros de pedregulho e filtros lentos de areia, mantendo as vantagens de exigir baixos custos de implantação, manutenção e operação. Entretanto, segundo CLEASBY et al. (1984), ELLIS (1985) e COLLINS (1991) apud GALVIS et al. (1997), a sua eficiência, quanto à remoção de cor verdadeira associada ao carbono orgânico dissolvido ou substâncias húmicas, tem sido questionada ou relatada como baixa, (25 a 30%). GALVIS et al. (1997) apresentaram resultados melhores de remoção de cor, obtidos em instalações FiME, em operação na Colômbia.
Várias pesquisas vêm sendo realizadas para melhorar a eficiência de remoção de cor, como a utilização de carvão ativado em camada intermediária do filtro lento ou com a aplicação de ozônio na água bruta, que é chamada biofiltração com pré-oxidação.
Estudos desenvolvidos com filtração lenta precedida de pré-oxidação com ozônio se mostraram como opção para remoção de cor, segundo GREAVES et al. (1988). O ozônio oxida os compostos de peso molecular alto para composto de baixo peso molecular, que são mais facilmente biodegradáveis. Segundo ROOK (1974) apud YORDANOV et al. (1996), a ozonização seguida de filtração lenta pode remover muitos dos materiais orgânicos assimiláveis, prevenindo o recrescimento de microorganismos no sistema de distribuição e também reduzindo os produtos potencialmente formadores de trihalometanos.
Vários pesquisadores, dentre eles RACHWAL (1992), GOULD (1985) apud LANGLAIS et al. (1999), estudaram o uso do carvão ativado na filtração lenta. Todos confirmam que o carvão proporciona aumento de remoção de cor, sabor e odor no efluente do filtro lento, reduzindo também os subprodutos da desinfecção. A camada de carvão ativado granular deve estar protegida por uma camada de areia, para proteger o carvão de uma carga
excessiva de matéria orgânica particulada; a camada superior de areia funciona como filtro lento natural e o carvão como adsorvedor, segundo CELHO (2002).
Processos de oxidação avançados geram radicais OH, altamente reativos, para oxidar várias combinações de compostos na água. Ocorre uma aceleração da taxa de decomposição de ozônio, a concentração de radicais OH é elevada, o que provoca aumentos na taxa de oxidação. Este procedimento aumenta a contribuição de oxidação indireta em cima de oxidação direta pelo ozônio. Vários métodos podem ser usados para aumentar a decomposição do ozônio, um dos mais comuns envolve a adição de peróxido de
hidrogênio, antes ou depois do ozônio, sendo esse processo conhecido como peroxônio. Peroxônio é um dos germicidas, mais potentes e efetivos, usado em tratamento de água. É ligeiramente mais efetivo que o ozônio contra bactérias, vírus e cisto de protozoário. É altamente reativo e não mantém um residual mensurável, não sendo possível calcular o valor de CT como de outros desinfetantes.
O projeto de pesquisa tem a finalidade de avaliar a influência da pré-oxidação com ozônio e peróxido de hidrogênio, quanto à remoção de cor verdadeira em instalação de filtração lenta com leito contendo camada intermediária de carvão ativado, utilizando água bruta
previamente condicionada em pré-filtros de pedregulho.
METODOLOGIA Instalação Experimental
Foi utilizada uma instalação experimental de filtração em múltiplas etapas, constituída de pré-filtro dinâmico de escoamento horizontal (PFD), pré filtro de escoamento ascendente (PFVA) e quatro filtros lentos, sendo dois com leito de camada intermediária de carvão ativado e dois com leito de areia apenas. A água bruta era recalcada para uma câmara
localizada no ponto mais alto da instalação, com dispositivo de medição e de controle de vazão. Por gravidade essa água passava para o PFD. Desse ponto a água passava para uma câmara com vertedor e controle de vazão de onde era encaminhada, por gravidade, ao PFVA. Na saída do PFVA era feita a aplicação das substâncias húmicas para obtenção da cor verdadeira desejada. Desse ponto a água era encaminhada, por gravidade, para a câmara de sucção do conjunto elevatório, de onde era recalcada para uma caixa de nível constante. Na tubulação de saída dessa caixa de nível constante foi instalado um dispositivo,
construído com tubulações de PVC na forma de chicanas, para dosagem e mistura do peróxido de hidrogênio. Essa água era encaminhada então à coluna de ozonização, que por sua vez alimentava os filtros lentos. Na Figura 1 esta apresentado o fluxograma da
instalação.
As substâncias húmicas utilizadas nos ensaios foram extraídas de turfa e foi utilizada metodologia de coleta e separação adaptada de TOLEDO (1973). A turfa era colocada em recipiente no qual era aplicada solução de hidróxido de sódio a 0,5 N, na proporção de 1 kg de turfa para cada 100 litros de solução de NaOH. Esse material era agitado por período de 18 h com auxílio de agitador mecânico, sendo posteriormente mantido em repouso para que ocorresse a sedimentação de partículas em suspensão. Esse material era embalado em papel celofane e efetuada uma primeira diálise em solução com pH=2, composta de água e ácido clorídrico (0,5N), após o que era efetuada diálise em meio água não clorada até obter-se reação negativa quanto a cloreto.
FIGURA 1 : Fluxograma da instalação experimental. Realização dos ensaios
Foram realizadas cinco ensaios nos equipamentos da instalação de filtração em múltiplas etapas FiME com duração média entre dois e três meses cada um, conforme Tabela 1. Foram variadas as condições de cor verdadeira e de pré-oxidação da água afluente aos filtros lentos. Em cada ensaio foram determinados vários parâmetros com freqüência variável e foram efetuadas determinações freqüentes das dosagens e residuais de ozônio (fase líquida e gasosa) e peróxido de hidrogênio.
Tabela 1: Quadro resumo das carreira de filtração.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Avaliando o desempenho dos filtros, quanto à remoção de cor verdadeira, em função da pré-oxidação, nos filtros de areia e nos filtros com camada intermediária de carvão ativado, pode-se efetuar as seguintes considerações:
Na Figura 2 pode-se observar que o filtro lento FL1, com camada intermediária de carvão ativado, sofreu menos influência da variação da cor afluente do que o filtro lento FL2, com leito de areia apenas. Até a metade do ensaio o filtro FL1 apresentou cor remanescente equivalente ao FL2, depois da metade o FL2 passou a apresentar cor bem maior, provavelmente devido aos efeitos causados pelo peróxido de hidrogênio à sua camada biológica, que provocou uma diminuição da perda de carga no filtro.
FIGURA 2: Cor remanescente dos filtros FL1 e FL2, com água pré-oxidada com peróxido de hidrogênio e ozônio.
O ozônio propicia remoção de cor maior que os filtros lentos com camada intermediária de carvão ativado e esses, por sua vez, mais do que os filtros com areia apenas. Essa
observação pode ser visualizada na Figura 3, que mostra a variação de cor ao longo do tempo de operação no sistema com pre-oxidação com ozônio, onde pode ser visto também que a cada modificação da cor afluente corresponde uma variação cor efluente de cada componente.
FIGURA 3: Evolução da cor verdadeira a partir do afluente com substâncias húmicas, coluna de ozonização e filtros FL1 e FL2 com o tempo de operação no quarto ensaio.
No filtro lento FL1 foram realizados cinco ensaios, sendo três com água natural pré filtrada (NPF) e dois com água natural pré filtrada com adição de substâncias húmicas (NPF/SH). Nos ensaios com água NPF foi utilizada pré-oxidação com ozônio, sendo que no primeiro ensaio foi empregado somente ozônio, no segundo foi aplicado o peróxido de hidrogênio e em seguida o ozônio e no terceiro ozônio e depois peróxido. Nos ensaios com água
NPF/SH foram utilizados dois processos de oxidação, o primeiro com peróxido e depois ozônio e o segundo com ozônio apenas.
Os dados de remoção foram lançados nas Figuras 4 e 5, onde pode ser observado que para água NPF os melhores resultados, ou mais constantes, foram obtidos com pré-oxidação com ozônio seguido de peróxido de hidrogênio, mas com pequena vantagem sobre
peróxido mais ozônio. Nos ensaios com água com NPF/SH os resultados com pré oxidação com ozônio apenas foram melhores.
FIGURA 4: Variações da remoção de cor no processo oxidação/filtro lento FL1 com o tempo de operação nos ensaios
FIGURA 5: Variações da remoção de cor no filtro lento FL1 com o tempo de operação nos ensaios
Avaliando os processos oxidação/filtração lenta, pode-se efetuara as seguintes considerações:
A – Oxidação/Filtros de areia
Os dados de remoção percentual de cor obtidos nos processos oxidação/filtros com leito de areia, FL2 e FL4, nos vários ensaios com água NPF foram agrupados na Figura 6, enquanto que os dados com água NPF/SH foram agrupados na Figura 7.
Os três tratamentos em que foi utilizada pré-oxidação e nvolvendo ozônio se eqüivaleram, quando foi utilizada água NPF como afluente aos processos oxidação/filtração. A melhor média de remoção foi obtida com pré-oxidação com ozônio apenas. A pré oxidação com peróxido sozinho apresentou remoções bem abaixo das outras condições de pré oxidação. Nos ensaios onde foi utilizada água NPF/SH os melhores resultados obtidos foram com a oxidação com ozônio ou ozônio seguida de peróxido de hidrogênio. Novamente a pré-oxidação com peróxido sozinho não levou a resultados satisfatórios, sendo seus resultados equivalentes aos resultados obtidos nos filtros sem pré-oxidação do afluente.
FIGURA 6: Variações da remoção de cor no processo oxidação/filtros de areia com o tempo de operação nos ensaios (água NPF)
FIGURA 7: Variações da remoção de cor no processo oxidação/filtros de areia com o tempo de operação nos ensaios (água NPF/SH)
B – Oxidação/Filtros com camada intermediária de carvão ativado
Os dados de remoção percentual de cor, obtidos nos sistemas oxidação/filtros com leito de areia com camada intermediária de carvão ativado (FL1 e FL3) nos vários ensaios com água NPF, foram agrupados na Figura 8, enquanto que os dados com água NPF/SH foram agrupados na Figura 9.
Quando foi utilizada água NPF como afluente aos sistemas oxidação/filtração, o filtro FL3 apresentou excelentes resultados no ensaio com pré-oxidação do afluente com peróxido de hidrogênio, embora esse filtro tenha apresentado valores altos de remoção no primeiro ensaio sem oxidante. Os resultados com pré oxidação com ozônio e ozônio mais peróxido também foram satisfatórios, tanto no FL1 como no FL3.
Nos ensaios em foi utilizada água NPF/SH o filtro FL3 não repetiu o mesmo desempenho que apresentou sem pré-oxidação ou com água pré-oxidada com peróxido. Os resultados obtidos, tanto pelo FL1 como pelo FL3, com a ozonização foram melhores e quando o peróxido foi aplicado após o ozônio foram ligeiramente superiores.
FIGURA 8: Variações da remoção de cor no processo oxidação/filtros com carvão com o tempo de operação nos ensaios (água NPF)
FIGURA 9: Variações da remoção de cor no processo oxidação/filtros com carvão com o tempo de operação nos ensaios (água NPF/SH)
Na Figura 10 estão lançados em separado os dados de remoção de cor nos filtros, utilizando água pré-oxidada com ozônio mais peróxido e peróxido mais ozônio. Pode-se observar que a aplicação do peróxido após a ozonização levou a resultados ligeiramente melhores nos filtros, como havia sido observado anteriormente.
FIGURA 10: Comparação dos resultados de remoção de cor nos filtros quando receberam água pré-oxidada com ozônio/peróxido e com peróxido/ozônio
CONCLUSÕES
Com base nos resultados apresentados pelos processos de oxidação/filtração lenta com camada intermediária de carvão ativado pode-se concluir que a pré oxidação com ozônio ou com ozônio e depois peróxido de hidrogênio apresentam resultados melhores e mais
constantes ao longo do tempo de operação, mas a qualidade da água bruta afluente ao sistema oxidação/filtração lenta deve estar dentro de certos limites para que se possa obter água com qualidade dentro dos padrões estabelecidos pela norma.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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