22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina
I-066 - INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DO COAGULANTE E DA QUALIDADE DO SOLVENTE NA COAGULAÇÃO VISANDO O TRATAMENTO DE ÁGUA POR FILTRAÇÃO DIRETA
Francimeyre Freire Avelino(1)
Estudante de Química Industrial da Universidade Federal do Ceará, bolsista de Iniciação Científica do CNPq.
Luiza Maria da Silva Nunes
Estudante de Química Industrial da Universidade Federal do Ceará, bolsista de Iniciação Científica do CNPq.
Guilherme Paiva Rebouças
Estudante de Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, bolsista de Iniciação Científica do CNPq.
Valter Lúcio de Pádua
Engenheiro Civil pela UFMG, mestre e doutor em Hidráulica e Sa neamento pela EESC-USP, professor adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG, pesquisador PROFIX/CNPq.
Endereço(1): Av. da Universidade, 2216 - Benfica - Fortaleza - CE - CEP: 60020-180 - Brasil - Tel: (85) 252-1360 - e-mail: fran.meire@bol.com.br/
francimeyreavelino@ig.com.br
Neste trabalho, desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB, edital 3, tema 1), é abordada a influência das condições de coagulação no desempenho da Filtração Direta Descendente, objetivando-se investigar experimentalmente a influência das concentrações de dois tipos de coagulantes (hidroxi-cloreto de alumínio e sulfato de alumínio) e da qualidade do solvente (água destilada, água bruta e água com 2,5 e 5mg/L de cloro residual) na eficiência do processo de coagulação visando ao tratamento por filtração direta descendente. A investigação experimental foi realizada em bancada (jarteste), onde a simulação da filtração foi feita em pequenos filtros preenchidos com areia e em instalação-piloto com leitos filtrantes constituídos por areia e por antracito. Para a realização dos ensaios foi utilizada água bruta do açude Gavião, localizado no município de Pacatuba/CE. A eficiência da coagulação foi avaliada através do parâmetro turbidez
remanescente. Os resultados dos ensaios de bancada apontam para um efluente de melhor qualidade para dosagens entre 20 e 30mg/L de ambos os coagulantes, com pouca ou
nenhuma influência das concentrações. É possível que a utilização da água bruta no preparo do coagulante seja viável para o tratamento da água em escala real, o que possibilitaria pequena redução nos custos operacionais, por não se utilizar água tratada no preparo do coagulante.
PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, Coagulação, Preparo do coagulante, Filtração Direta.
INTRODUÇÃO
Os ensaios realizados em jarteste são o procedimento mais simples que se dispõe para estabelecer alguns parâmetros de projeto e de operação de estações de tratamento de água. Utilizado principalmente para determinar a dosagem de coagulante e o pH de coagulação no tratamento de água, os ensaios em jarteste também têm sido empregados com sucesso na otimização da dosagem de diversos outros produtos químicos utilizados no tratamento de água e na definição do tempo e do gradiente de velocidade médio de mistura rápida e de floculação. Uma das dificuldades deste tipo de ensaio é a transposição dos parâmetros otimizados para a escala real, uma vez que não há coincidência no regime de escoamento. Já em ensaios realizados em instalações-piloto, esta transposição é mais simples por funcionarem também com escoamento contínuo, tal como as Estações de Tratamento de Água (ETAs) em escala real. Nos ensaios de bancada as soluções de coagulante geralmente são preparadas com concentração da ordem de 1% em m/v utilizando-se água destilada como solvente. Contudo, na instalação-piloto necessita-se de um volume relativamente grande da solução para concluir uma carreira de filtração, sendo praticamente inviável o preparo do coagulante com água destilada. Além disso, usualmente as bombas dosadoras de instalação-piloto não permitem trabalhar com solução de mesma concentração daquela usada nos experimentos de bancada, sendo muitas vezes necessário preparar soluções mais diluídas. Tendo em vista as limitações destes ensaios e sua aplicabilidade em escala real, bem como sua importância na otimização de parâmetros operacionais das ETAs, este estudo teve como objetivo principal investigar a influência das concentrações das soluções de diferentes coagulantes (sulfato de alumínio e de hidroxi-cloreto de alumínio) e da qualidade do solvente (água destilada, água bruta e água com 2,5 e 5mg/L de cloro
residual) na eficiência do processo de coagulação na filtração direta descendente, de modo a avaliar como estes fatores podem influir na aplicabilidade, em escala real, dos resultados obtidos por meio de ensaios de bancada ou em instalação-pilto.
PRODUTOS QUÍMICOS
A qualidade da água para abastecimento humano é afetada pela poluição e pela contaminação por substâncias tóxicas de origem química ou biológica. A definição do coagulante e dos produtos químicos utilizados em geral no tratamento da água para consumo humano está relacionada à qualidade da água bruta, à tecnologia de tratamento empregada e ao custo dos produtos.
O sulfato de alumínio é um dos coagulantes mais utilizados no tratamento de água, contudo os sais de alumínio polimerizados têm recebido atenção de diversos pesquisadores. O hidroxi-cloreto de alumínio é produzido à base de cloreto de alumínio com fórmula empírica de Aln(OH)mCl(3n- m) de 0<m<3n. Já o sulfato de alumínio é expresso como Al2(SO4)3.14 a 18H2O. Baseados nos testes de solubilidade, dados de turbidez e medidas eletrocinéticas, VAN BENSCHOTEN e EDZWALD (1990) apud SHEN e DEMPSEY (1998) concluíram que os precipitados do sulfato de alumínio e do hidroxi-cloreto de alumínio possuem fases sólidas deferentes: a estrutura polimérica dentro do precipitado do hidroxi-cloreto de alumínio permanece inalterada e as partículas são carregadas mais positivamente, resultando, assim, em uma menor turbidez, quando comparado aos resultados obtidos com o sulfato de alumínio.
MATSUL et al (1998) relatam que as espécies polimerizadas formadas com o hidroxi-cloreto de alumínio são mais estáveis que as formadas durante as reações de hidrólise com sulfato de alumínio, e que as partículas desestabilizadas com hidroxi-cloreto de alumínio são menos sensíveis a mistura rápida que as desestabilizadas com o sulfato de alumínio. SOLOMENTSEVA et al (1999) relataram que a diminuição da concentração do hidroxi-cloreto de alumínio aumenta o tamanho e a carga dos complexos hidrolisados (espécies de partículas hidrolisadas do sal de alumínio contendo moléculas de água e grupo de
hidroxilas) adsorvidas na superfície do produto de hidrólise.
A investigação de DEMPSEY et al (1985) apud SHEN e DEMPEY (1998) indica que o hidroxi-cloreto de alumínio é efetivo quando a concentração de ácido fúlvicos ou outras espécies com alta demanda de coagulante é baixa, ou quando o pH estiver fora da faixa de 5,5 a 7,0. O`MÉLIA et al (1989) apud SHEN e DEMPEY (1998) concluíram que o coagulante hidroxi-cloreto de alumínio é adequado, com baixas dosagens, para a coagulação de águas com turbidez elevada, particularmente à temperatura baixa ou pH ácido. Também concluíram que o mesmo é eficiente para águas com baixa turbidez, promovendo a desestabilização das partículas em valores de pH de ácidos a neutros.
Dentre os principais fatores intervenientes no processo de coagulação, destacam-se o pH e a alcalinidade da água bruta, a natureza das partículas, o tamanho das partículas causadoras da turbidez, a temperatura da água, o tipo de coagulante e auxiliar de coagulação, a intensidade de agitação e o tempo de contato dos produtos químicos. Segundo LIBÂNIO (1997) em menor grau podem ser incluídos a concentração e a idade da solução de coagulante.
O mecanismo de coagulação predominante na filtração direta descendente é o de adsorção e neutralização de carga. Neste mecanismo há adsorção de espécies hidrolisadas nas
superfícies dos colóides, causando a neutralização parcial de carga. A desestabilização por adsorção exige que a mistura rápida seja realizada com gradientes de velocidade altos e durante tempo muito curto. Isto porquê, os produtos de hidrólise do coagulante que podem ser adsorvidos pelas partículas ficam disponíveis na água apenas durante frações de segundos. AMIRTHARAJAH e MILLS (1982) destacam que as condições de mistura rápida são especialmente importantes quando a água é coagulada no mecanismos de adsorção e neutralização de carga, o qual é indicado para ETAs que empregam a filtração direta.
A filtração direta descendente é uma tecnologia de tratamento que exige as seguintes etapas: mistura rápida, floculação e filtração. A floculação pode não ser utilizada, em virtude da qualidade da água bruta e das características do meio filtrante. Em geral esta tecnologia é indicada para água bruta com cor e turbidez relativamente baixa e que não apresentem variações bruscas de qualidade. Diversos fatores influem no desempenho da filtração direta: qualidade da água bruta, condições de coagulação (tipo e dosagem dos produtos químicos), condições de mistura rápida (tempo e gradiente de velocidade), temperatura, pré- floculação, meio filtrante e método de operação dos filtros.
MATERIAIS E MÉTODOS
O trabalho experimental foi dividido em duas etapas: 1a Etapa –Verificação da influência da concentração de coagulante; 2a Etapa – Verificação da influência da qualidade do solvente no preparo das soluções de coagulante. Os ensaios foram realizados em jarteste da Nova Ética, modelo LDB, o qual teve o seu sistema interno de transição de rotação
modificado de polias lisas para polias sincronizadas, a fim de garantir a uniformidade da rotação das seis paletas. Também foi utilizada, para realizar parte dos ensaios, instalação-piloto com escoamento contínuo. A mesma era constituída por uma unidade de mistura rápida mecanizada, uma câmara de carga com nível constante, um tanque de preparo de coagulante, quatro filtros, com 3 m de altura e área em planta de 0,10 x 0,10m2. A especificação granular dos filtros é apresentada na Tabela 1, sendo que os A1 e B1 são constituídos de areia e A2 e B2 de antracito, de modo a produzir uma réplica a cada ensaio. Tabela 1: Especificação do meio filtrante dos filtros da instalação-piloto.
Característica Filtros A1 e B1 Filtros A2 e B2 Espessura total (cm) 78 e 72 78,5 e 77
Tamanho dos grãos (mm) 0,71 a 2,38 0,84 a 1,41 Tamanho efetivo (mm) 1,83 1,0 Coeficiente de desuniformidade 1,54 1,2
Após a coagulação e a floculação em jarteste as amostras eram filtradas em filtros de bancada, semelhantes ao mostrado esquematicamente na figura 1, os quais eram constituídos por grãos de areia com tamanho de 0,42 a 0,59mm. Os filtros foram construídos em PVC e possuíam 25cm de altura e 19mm de diâmetro interno. Na parte inferior dos filtros existia um cap acoplado a um tubo de cobre com 4mm de diâmetro interno, e uma tela de latão com abertura de 0,4mm. A geratriz superior do tubo de cobre situava-se 15cm acima da base do filtro. A carga hidráulica para filtração era mantida constante e o excesso de água afluente ao filtro era continuamente descartado no extravasor.
Os coagulantes utilizados foram o sulfato de alumínio P. A. – Al2(SO4)3 . 14 a 18H2O, produzido pela Isofar e o hidroxi-cloreto de alumínio com teor de Al2O3 = 23% e com basicidade de 18% expresso como OH-, fornecido pela Norteste.
A água utilizada no estudo (Açude Gavião – CE) era coletada e armazenada por um período máximo de 24h em um reservatório de polietileno com volume suficiente para a realização dos ensaios em jarteste. Quanto aos ensaios em instalação-piloto, a água bruta utilizada era bombeada diretamente do açude com auxílio de uma bomba centrífuga. Para a alimentação das soluções de coagulante, foi utilizada Bomba peristáltica da marca Prominent. As soluções de cloro eram obtidas pela mistura de cloro gasoso com água, a concentração de cloro era medida e diluía-se esta com água deionizada até que a solução apresentasse a concentração desejada. Os coagulantes e as soluções de cloro eram preparados no dia da realização dos ensaios.
Para avaliar a eficiência dos tratamentos, os seguintes parâmetros foram analisados: pH; turbidez; cor aparente; e cloro residual. As determinações de pH foram efetuadas por meio de pH-metro da Analion, modelo PM608 e da HACH, modelo DR/2500. As determinações de turbidez feitas através de um turbidímetro da HACH, modelo 2100P. As medições de cloro foram feitas por meio de um comparador colorimétrico da Del Lab, modelo DLH-2000. A cor aparente foi medida utilizando-se espectrofotômetro da HACH, modelos DR/2000 e DR/2500, ambos utilizando cubeta de vidro de 2,5cm de percurso ótico e operando em comprimento de onda de 455nm. Para os demais parâmetros analisados na caracterização da água bruta, os métodos utilizados foram aqueles descritos em APHA (1997). Também foi avaliada como parâmetro, na instalação-piloto, a perda de carga, pela utilização de piezômetros, além do gradiente de velocidade médio de mistura rápida. 1a Etapa (Influência da concentração de coagulante)
Nesta etapa os ensaios foram realizados no jarteste utilizando três concentrações de sulfato de alumínio e três de hidroxi-cloreto de alumínio (0,1, 1 e 5% m/v), as dosagens de
coagulante foram 2,5; 10; 20 e 30mg/L. Nestes experimentos, foram adotados os seguintes parâmetros: tempo de mistura rápida (Tmr = 15s), gradiente de velocidade médio de
mistura rápida (Gmr = 600s-1), tempo de floculação (Tf = 10min) e gradiente de velocidade médio de floculação (Gf = 31s-1). As amostras filtradas eram caracterizadas a partir da turbidez e da cor aparente remanescente. Todos os ensaios foram realizados em duplicata. 2a Etapa (Qualidade do solvente no preparo das soluções de coagulante)
Os ensaios desta etapa foram realizados em jarteste e em instalação-piloto. O coagulante utilizado foi o hidroxi-cloreto de alumínio tendo sido preparado com quatro tipos diferentes de solventes (água deionizada, água bruta, águas com 2,5 e 5mg cloro residual/L).
· Ensaios em jarteste
As dosagens de coagulante utilizadas foram 5, 10 e 15mg/L, com concentração de 1% m/v. Os coagulantes foram homogeneizados antes de cada do sagem aplicada. Nesta etapa foram
adotadas as mesmas condições de mistura rápida e de floculação da primeira etapa. Foram realizadas réplicas de todos os ensaios.
· Ensaios em instalação-piloto
A dosagem utilizada foi 9,9± 0,4mg/L com concentração de coagulante igual a 0,5%,. Os quatros filtros foram operados utilizando-se a filtração direta em linha (coagulação e filtração). O gradiente médio de velocidade (Gmr) e o tempo (Tmr) de mistura rápida utilizados foram 600 ± 27s-1 e 24s, respectivamente. A taxa de filtração (TF) adotada foi de 243 ± 2,4 m3m-2d-1. As carreiras de filtração foram limitadas a quatro horas. O pH de coagulação esteve compreendido em 7,16 ± 0,14.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As características da água bruta durante o estudo são mostrados na tabela 1, tendo havido variação dos parâmetros monitorados, entre as etapas do estudo, mas que não influenciou na avaliação dos resultados, uma vez que eram diferentes os objetivos em cada etapa do estudo.
Tabela 2 - Características da água bruta Parâmetro 1a Etapa 2a Etapa pH 7,86± 0,14 7,50± 0,21 Turbidez (uT) 9,6± 0,7 7,6± 1,3
Cor aparente (uH) 104± 8
111± 15
Alcalinidade total (mg CaCO3/L) 52,8± 0,7
33,4± 16,8
Dureza total (mg CaCO3/L) 105,5± 0,7 75,5± 26,8 Cloreto (mg Cl-/L) 106,5± 0,9 83,7± 24,8 Temperatura (0C) 29± 1 29± 1
Nota: Valores médios ± desvio padrão.
Figura 2: Turbidez remanescente em função do tipo e da concentração dos coagulantes para diferentes concentrações.
Na figura 2, são mostrados os resultados relativos ao estudo da influência da concentração e do tipo de coagulante utilizados. Comparando-se os resultados obtidos com os dois tipos de coagulantes e levando-se em consideração que a qualidade da água bruta foi a mesma para ambos os ensaios, o hidroxi-cloreto de alumínio foi o coagulante que apresentou os
melhores resultados em termos de turbidez remanescente, com médias de 1,43; 0,87; 0,53 e 0,37uT para as dosagens de 2,5; 10; 20 e 30mg/L, respectivamente. Quanto à influência da concentração dos coagulantes, a mesma não influenciou significativamente nos resultados obtidos para cada coagulante e em cada dosagem. A maior variação foi de cerca de 0,2uT,
para o ensaio com sulfato de alumínio na dosagem de 30mg/L. Já com relação à dosagem de hidroxi-cloreto de alumínio que seria mais eficiente na remoção da turbidez, foi observada diferença significativa, em termos de valores de turbidez mais próximos aos exigidos pela portaria 1469/00, entre as dosagens de 2,5 e 10mg/L, com 1,43 e 0,87uT, respectivamente. Por outro lado, os resultados com as dosagens de 10, 20 e 30mg/L não apresentaram alterações significativas na remoção da turbidez remanescente: todos os resultados estiveram compreendidos entre 0,35 e 0,95uT, com médias de 0,87, 0,53 e 0,37uT, respectivamente, como citado anteriormente. MENDES (1989) apud DI
BERNARDO (1993) conclui que, dependendo da qualidade da água, a concentração do coagulante da solução de sulfato de alumínio pode influenciar na eficiência da remoção de flocos, principalmente quando a coagulação é realizada no mecanismo de varredura.
Figura 3: Influência da qualidade do solvente (água destilada, água bruta, água tratada com 2,5mg/L de cloro residual e água tratada com 5mg/L de cloro residual) no preparo do coagulante, em ensaios com dosagens crescentes do coagulante (hidroxi-cloreto de alumínio) .
Estes resultados são particularmente importantes de serem realizados em investigações experimentais destinadas a obter parâmetros de projeto e de operação de ETAs, com a finalidade de avaliar se as concentrações de coagulante usualmente adotadas nas instalações de bancada e instalações-piloto são compatíveis com as empregadas nas ETAs em escala real. Ressalta-se também que ao ser comprovado que concentrações mais elevadas do coagulante não influenciam negativamente a qualidade da água tratada, abre-se a possibilidade de projetar tanques de dosagem com menores dimensões, reduzindo-se ligeiramente o custo de construção da ETA.
A figura 3 refere-se aos valores médios de turbidez remanescente da água coagulada e filtrada com hidroxi-cloreto de alumínio com basicidade de 18% preparado com quatro tipos de solventes. Observa-se que não houve variação significativa na qualidade da água filtrada, para os tipos de solventes estudados. Quando o solvente utilizado foi à própria água bruta a ser tratada, percebeu-se que os flocos formados durante o preparo do coagulante não interferiram na qualidade da água filtrada, fato não esperado já que as espécies hidrolisadas formadas reagiram com as partículas coloidais ainda no preparo do produto químico. Observou-se também que as concentrações de cloro residual estudadas não interferiram na eficiência da coagulação. Assim, poder-se- ia utilizar água bruta ou água tratada como solvente no preparo do coagulante, sem que fosse afetada a eficiência do processo de tratamento.
Figura 4: Influência da qualidade do solvente (água destilada, água bruta, água tratada com 2,5mg/L de cloro residual e água tratada com 5mg/L de cloro residual) no preparo do coagulante para resultados de turbidez remanescente e de perda de carga, em ensaios variando o leito filtrante (areia ou antracito), em instalação-piloto.
Nota-se na figura 5 que, independente do tipo de meio filtrante, a turbidez remanescente tendeu a ser menor quando foi utilizada a água com 5mg/L de cloro residual como solvente no preparo do coagulante. Mas, a diferença entre a água bruta e as águas com residuais de cloro foram pouco significativas.
Com relação à perda de carga, não foi observado padrão nítido entre os resultados, as diferenças apresentadas entre eles foram pouco significativas.
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
A partir dos resultados apresentados, conclui-se que a concentração dos coagulantes não influenciou de modo significativo a qualidade da água final, o hidroxi-cloreto de alumínio apresentou-se mais eficiente na remoção da turbidez e, conseqüentemente, mais adequado para o tratamento com filtração direta descendente. Em relação à dosagem de coagulante para ser aplicada em escala real, sem provocar aumento demasiado no custo operacional da ETA, consideramos que a dosagem de 10mg/L seria a mais apropriada, visto que os resultados com as dosagens de 20 e 30mg/L não apresentaram alterações significativas na remoção da turbidez remanescente, tomando-se como referência o valor máximo
permissível especificado na Portaria 1469/00. Observamos ainda que os resultados obtidos dessa forma ainda poderiam ser melhorados, dependendo de medidas de estudos
relacionados à pré-oxidação da água bruta e do emprego de polímeros.
Com relação ao preparo do coagulante, não houve diferenças significativas pela utilização de água bruta ou tratada no preparo das soluções . Conseqüentemente, o uso de água bruta possibilitaria uma pequena redução nos custos operacio nais da ETA ao ser utilizada no preparo do coagulante.
Em função dos resultados obtidos, recomendam-se estudos adicionais em escala real para avaliar a influência da idade das soluções dos produtos químicos no processo de
coagulação, utilizando a filtração direta como tecnologia de tratamento. AGRADECIMENTOS
Este trabalho refere-se a resultados parciais realizados no âmbito do PROSAB (Programa de pesquisa em Saneamento Básico) com apoio financeiro da FINEP, CEF e CNPq. Os autores demonstram seu agradecimento ao CNPq, pela concessão de bolsas de pesquisa, e a CAGECE (Companhia de Água e Esgoto do Ceará) pelo apoio logístico.
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