UTILIZAÇÃO DE ORTO-POLIFOSFATO NO TRATAMENTO DE
ÁGUA PARA ELIMINAÇÃO DE ÁGUA SUJA (ÁGUA VERMELHA)
E REDUÇÃO DE INCRUSTAÇÕES NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO
Wilmar Weigert(1)
Engenheiro Químico - Superintendente de Desenvolvimento - SANEPAR com 22 anos de trabalhos na Área Operacional, Pesquisa e Desenvolvimento da SANEPAR.
Carlos Antonio Rattmann
Técnico Químico com 18 anos de trabalho na Área Operacional da SANEPAR
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RESUMO
A grande maioria dos sistemas de abastecimento de água no Brasil apresentam problemas de “água vermelha” ou “água suja” na rede de distribuição, bem como apresentam um elevado grau de incrustações nas tubulações, resultando em um alto índice de reclamações por parte dos clientes em relação à qualidade do produto.
A formação destas incrustações e da “água suja”, está intimamente ligada a dois fatores principais:
a) A presença de metais, principalmente o Ferro e o Manganês na água produzida, resultando em pós precipitação, ocorrendo reações secundárias,
b) A correção do pH da água tratada.
O presente trabalho, relaciona os fatores acima citados, com a formação de tubérculos “água suja” e principalmente demonstra que com a utilização de Orto -Polifosfatos na água potável, pode-se promover a redução/eliminação da água suja, bem como efetuar a remoção de incrustações na rede de distribuição. Isto somente sendo possível em função da capacidade que o Orto -Polifosfato possue em Quelar (sequestrar) íons metálicos e estabilizar uma água.
O trabalho apresenta os estudos realizados em escala piloto, a metodologia de aplicação e controle, bem como os resultados obtidos em escala real do uso de Orto-Polifosfato no sistema de abastecimento de água de Curitiba.
Já no 3o mês da aplicação do Orto-Polifosfato os resultados obtidos, foram: redução do
índice de reclamações dos clientes relativos a “água suja”/”água vermelha”, superiores a 90 %; ocorreu uma redução bastante significativa do volume de água gasto em descargas de rede, redução do consumo de cloro e cal superior a 25 %, e o Índice de Qualidade da Água Produzida e Distribuída, foi o melhor dos últimos 5 anos.
O trabalho apresenta como conclusão geral, que a utilização de Orto-Polifosfato, traz uma série de benefícios à operação de um Sistema de Abastecimento de Água e que o custo-benefício de sua utilização demonstra a viabilidade econômica de seu uso.
PALAVRAS -CHAVE: Orto-Polifosfatos, “Água Suja”; “Água Vermelha”, Quelar, Incrustação. INTRODUÇÃO
A precipitação Química é um processo eficiente e benéfico utilizado no tratamento da água. A precipitação ocorre quando um composto Químico solúvel reage com outra substância para formar um composto químico insolúvel. Uma forma mais simples de se expressar isto seria: o produto Químico é transformado de uma fase solúvel a um produto Químico semelhante em fase insolúvel.
Quando utilizado como processo de tratamento a precipitação é intencional. Contudo, há situações em que a precipitação de compostos Químicos ocorre sem controle. Os componentes Químicos de uma água que saem das unidades de filtração de uma Estação de Tratamento, podem reagir com o novo ambiente do sistema de distribuição, como resultado disto a precipitação de certos compostos pode ocorrer no sistema de distribuição, após o tratamento da água. Este processo é conhecido como pós-precipitação, podendo ocorrer várias reações secundárias.
Há inúmeros tipos de reações de pós-precipitação que podem ocorrer no sistema de distribuição. Podem ocorrer a pós-precipitação do Carbonato de Cálcio, do Ferro, Manganês, Alumínio, Chumbo, Zinco, etc., e qualquer um dos fatores citados podem causar efeitos adversos à rede de distribuição, sendo a sua presença resultante de tratamentos padrões, desconsiderando reações Químicas secundárias. Portanto, importantes tarefas de determinar se uma água apresenta características incrustantes ou corrosivas é bastante complexa.
Afirmações generalizadas, usando somente o Índice de saturação de Langelier ou o índice de estabilização de Ryznar gerar conseqüências danosas ao sistema de distribuição.
Para cada caso uma análise completa da água específica envolvida deve ser feita para prever a formação de incrustações considerando principalmente as possíveis reações secundárias, como a dos precipitados ferrosos coloidais, que resultam nas reclamações dos usuários quanto a “água vermelha”.
A grande maioria dos sistemas de abastecimento de água no Brasil, utilizam como regra geral a correção do pH da água tratada, baseada no índice de Langelier, e não consideram as reações secundárias, resultando em redes de distribuição altamente incrustadas e “água suja”, “água vermelha”.
HISTÓRICO - ABATECIMENTO DE ÁGUA DE CURITIBA
Durante muitos anos o pH da água distribuída em Curitiba, foi baseado no Índice de Langelier foi de 8,8. A água produzida apresentava teores de metais rigorosamente dentro do padrão de potabilidade, com teores de Ferro inferiores a 0,2 mg/l e Manganês a 0,05 mg/l. A rede de distribuição apresentava um grau de incrustação elevado e ocorriam inúmeras reclamações por parte dos clientes quanto a “água suja”/ “água vermelha”.
Visando reduzir este número de reclamações e melhorar a qualidade da água na rede de distribuição, em 1991, foi montado um projeto piloto visando avaliar o comportamento da água em diferentes valores de pH. Foram instalados redes de ferro fundido com elevado grau de encrustações, pelos quais se fez passar a água tratada com valores de pH 6,3 - 8,6 e 8,8. A água que apresentou melhores resultados quanto a qualidade foi no pH 6,3 passando a ser adotado na operação da ETA. Em princípio mostrou excelentes resultados, principalmente quanto a remoção dos carbonatos. Porém na seqüência a demanda de cloro foi maior, as reclamações dos Clientes começaram a aumentar novamente.
Através de dados práticos, pode-se concluir o ataque do ácido carbônico do ácido Hipocloroso (cloro em pH 6,3) e do oxigênio dissolvido. Apesar de todos estes problemas, as reclamações de Clientes no pH 6,3 não eram tão alarmantes quanto no pH 8,8.
Estes fatos que estavam ocorrendo eram perfeitamente explicáveis, o que não tinha explicação lógica eram as reclamações de clientes em bairros, onde as adutoras são cimentadas e a malha de distribuição de PVC , ligadas diretamente a produção.
Começamos então a suspeitar de reações Químicas secundárias, que possivelmente estavam ocorrendo à partir da produção da água, mesmo estando todos os parâmetros rigorosamente dentro do Padrão de Potabilidade.
Com o intuito de avaliarmos a existência de reações secundárias, foi implantado nas ETAs monitoramento de 48 horas que, consistia basicamente em coletar uma amostra de água tratada e analisar cor e turbidez a cada 12 horas. Já nos primeiros testes, a cor iniciava dentro do padrão de potabilidade e em 48 horas, estava totalmente fora do padrão. A turbidez praticamente não alterava.
Para comprovarmos que realmente estavam ocorrendo reações Químicas secundárias, partimos para outro projeto piloto que consistia em uma caixa d’água impermeabilizada com tinta a base epoxi, onde se fez passar água produzida na ETA Iguaçu, a baixa velocidade. Na verdade simulamos as condições de tempo na rede de distribuição
Monitoramos durante 9 dias e já nos primeiros dias pode-se observar a formação de um intenso depósito marrom avermelhado no fundo da caixa. Analisamos os resíduos, e constatamos a presença de: Ferro, Manganês, Sulfato de Cálcio, Matéria Orgânica, etc.
Desta forma concluiu-se que finalmente estavam ocorrendo reações Químicas secundárias.
“ÁGUA SUJA”, “ÄGUA VERMELHA”, INCRUSTAÇÃO DE REDES
Os metais que estão presentes na água in-natura, possivelmente e fortemente complexados com os compostos humicos, são muito solúveis e difíceis de serem removidos por processos convencionais de tratamento. Após a filtração e aplicação de Cloro, este oxida a Matéria Orgânica liberando e oxidando os metais, principalmente o Ferro e o Manganês. Esses metais
na presença de alcalinidade (correção de pH), passam as suas formas finais de oxidação, ou seja, os Hidróxidos Metálicos que são insolúveis em água, resultando em coloração amarelo claro, laranja tijolo, marrom avermelhado, preto, etc. Estas reações em função da liberação de gás Carbônico, podem levar até 48 horas para se processarem totalmente, ou seja, ocorrem reações de precipitação similares as que ocorrem no processo de floculação. Estas reações irão se formar principalmente em redes , onde a velocidade da água é baixa.
Após a formação da floculação forma -se um calóide elétricamente positivo, que irá agregar-se a parede das tubulações, devido a carga eletricamente negativa que as tubulações possuem em função do aterramento.
Durante as reações secundárias, há a formação do Sulfato de Cálcio, o qual faz endurecer as incrustações lentamente, devido ao meio aquoso. Os calóides que não tiveram tempo suficiente para endurecer, irão dar origem a “água suja”, “água vermelha”.
O USO DO ORTO-POLIFOSFATO
A manutenção no sistema distribuidor da qualidade da água obtida em uma Estação de Tratamento de Água e a conservação das tubulações, protegidas e livres de efeitos corrosivos e incrustantes, deve se constituir de uma preocupação constante por parte das empresas que operam um sistema de abastecimento de água potável.
Neste sentido, como vimos anteriormente, a grande maioria dos Sistemas de Abastecimento de Água, utiliza técnicas convencionais de tratamento/correção de pH desconsidera totalmente os efeitos das reações secundárias, resultando em águas que apresentam no sistema distribuidor colorações que são rejeitados pelo consumidor, bem como ocorre formação de grande quantidade de deposição (incrustação) na rede de distribuição.
Para se evitar os inconvenientes acima citados, ou seja inibir as reações secundárias e formação de incrustações bem como remoção das incrustações existentes, produtos a base de Orto-Polifosfato podem ser utilizados, uma vez que , estes apresentam as seguintes características:
a) Quelar (sequestrar) íons metálicos, especialmente o Ferro, o Manganês ,o Cálcio e o Magnésio.
Estes complexos formados são muito solúveis e possuem todas as características dos sais de sódio, de forma que os inconvenientes devidos ao Ferro, Manganês, resultem eliminados, reduzindo significativamente as “águas sujas”/ “águas vermelhas”.
Os minerais “contaminantes” (Cálcio, Magnésio, Ferro, Manganês, Sílica) que causam deposição e corrosão, são suspendidos e inativados pelo Polifosfato.
Os Polifosfatos quelam estes minerais, pela formação de uma estrutura anelar ao redor dos minerais em solução, bloqueando, qualquer reação Química subsequente como exemplificado no diagrama a seguir.
b) Estabilizar a água, fazendo com que os elementos minerais citados, mantenham-se em suspensão na forma solúvel durante todo o período de utilização, impedindo a formação de incrustações na rede, implicando muitas vezes, para a obtenção e manutenção deste
equilíbrio, dosagens de produtos em quantidades geralmente muitas vezes menores que a exigência estequiométrica da reação considerada. Por exemplo, a eliminação dos íons, Cálcio em uma água exigem uma quantidade muito elevada de Polifosfatos. Porém estes mesmos compostos, utilizados em doses muito menores são capazes de manter o Cálcio em solução, em equilíbrio, impedindo a formação de germens cristalinos e portanto a sua precipitação.
c) Remover lentamente as incrustações existentes nas redes, de forma a manter o padrão de potabilidade da água, sem que haja portanto, a necessidade de interrupção no abastecimento;
d) A formação de uma película protetora a nível molecular sobre as superfícies metálicas evitando a corrosão.
AVALIAÇÃO DA EFICÁCIA DO USO DO ORTO-POLIFOSFATO a) PROJETO PILOTO
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O projeto piloto, para avaliação do uso de Orto-Polifosfato foi construído junto à Estação de Tratamento de Água Iguaçú e basicamente foi constituído de duas caixas d’água de 1000 litros cada, impermeabilizadas com tinta a base de epoxi.
Na caixa n° 1, foram acoplados 3 metros de tubo de Ferro fundido DN 75, retirado do sistema distribuidor e totalmente incrustados, pelos quais se fez passar a água produzida na estação, a baixa velocidade e adequada circulação na caixa.
Na caixa no 2, totalmente independente da no 1, foram acoplados em paralelo dois tubos de 3 metros cada, de Ferro fundido DN 75, tubos estes retirados do sistema distribuidor, sendo um tubo totalmente incrustado e outro a incrustação foi totalmente removida mecanicamente.
Junto a estas redes foi instalado sistema de dosagem de Orto-Polifosfato. Da mesma forma, se fez passar a água produzida na estação pelos dois tubos, a baixa velocidade e com adequada circulação na caixa, aplicando uma dosagem de 5,0 mg/l de Orto-Polifosfato.
Antes de iniciar o projeto as caixas e as redes foram filmadas. Os pilotos ficaram em operação por 90 dias, sendo filmado a cada 30 dias.
No primeiro piloto, onde a água não continha adição de Orto -Polifosfato, o tubo acoplado a caixa apresentou visível piora de depósitos, ocorreu a formação de depósito marrom-avermelhado no fundo da caixa e a água que circulou pela caixa apresentou em média um teor de metais inferior a 0,05 ppm.
No segundo piloto, onde adicionou-se 5 ppm de Orto-Polifosfato, observamos que o tubo incrustado apresentou sensível remoção dos tubérculos e o tubo onde as incrustações foram removidas mecanicamente, apresentou uma fina camada cor salmão. A água que circulou pela caixa apresentou em média 0,3 ppm de metais e a formação de depósitos no fundo da caixa foi de 90 % menor em relação ao piloto sem aplicação do Orto-Polifosfato.
CONCLUSÃO
Considerando que, no piloto sem aplicação de Orto-Polifosfato, apresentou baixo teores de metais na água que circulou na caixa, e ocorreu intenso depósito marrom-avermelhado no fundo da caixa e que o tubo com incrustação apresentou-se pior em relação ao início do experimento, pode-se comprovar mais uma vez a existência de reações secundárias.
Considerando que no piloto com aplicação de Orto-Polifosfato, apresentou na água que circulou pela caixa, índice de metais em média de 0,3 ppm e que o tubo com incrustação apresentou sensível remoção dos tubérculos e a rede onde as incrustações foram removidas mecanicamente, ocorreu a formação de uma fina camada de cor salmão, pode-se comprovar que o Orto-Polifosfato impediu as reações secundárias, removeu parte das incrustações e formou um filme de proteção Ferro Fosfato Cálcico nas tubulações em que as incrustações foram removidas mecanicamente.
RESULTADOS EM ESCALA REAL
Baseado nas pesquisas anteriormente citadas, ou seja, a da comprovação de reações secundárias e dos resultados obtidos no projeto piloto, foi iniciada a aplicação de Orto-Polifosfato na água produzida pelas Estações de Tratamento de Água Iguaçú e Tarumã, responsáveis por mais de 70 % da água distrib uída `a população de Curitiba.
1) Metodologia de aplicação e controle de uso de Orto-Polifosfato no Sistema Abastecimento de Água de Curitiba.
A aplicação do Orto-Polifosfato à água, evidentemente, está relacionada as características Químicas da água e material metálico das tubulações, geralmente de aço Carbono, Ferro Fundido. O grau de quelação (seqüestro) dos metais por Fosfatos depende da concentração desses, do pH de tratamento da concentração de Cálcio e Magnésio e provavelmente de outros Cátions, que possam formar precipitados, bem como do teor de Cloro aplicado a água. A legislação brasileira não determina limites para a adição de fosfatos à água de abastecimento público. A Sanepar está se baseando em legislações Italiana e Francesa, as quais fixa o limite em 5 g/m3, expressos como P2O5.
A metodologia de aplicação deve incluir: agitador mecânico com eixo e hélice de aço inoxidável, tanques para dissolução e armazenagem revestidos de fibra de vidro e dosador contínuo em fibra de vidro ou aço inoxidável.
Quando utilizado o Orto-Polifosfato como auxiliar de potabilização da água, deve-se implementar todo um particular processo de controle. Isto ajudará não apenas a se ter um perfeito funcionamento da instalação, mas permitirá uma avaliação do tratamento efetuado e a obtenção dos objetivos pré-fixados, Portanto, deverão ser previstos exames analíticos para controlar com suficiente freqüência o valor do conteúdo de P2O5, nos indicando se a
dosagem está correta, análises estas que podem ser efetuadas através de colorímetros que analisem Fósforo total.
Na rede de distribuição deverão ser realizados análises de metais pesados, principalmente Ferro, Manganês. Estes resultados indicarão se a dosagem está sendo adequada ao sistema de abastecimento de água. Dependendo da dosagem poderá ocorrer uma maior ou menor remoção das incrustações, devendo-se tomar o cuidado para não extrapolar os limites estabelecidos pela legislação vigente. Estas análises deverão ser efetuadas por espectrofotometria de absorção atômica em função da quelação dos metais.
Um dos processos de grande importância na avaliação da eficiência do produto é a instalação de tubos de controle, para avaliar e constatar a diferença no estado da tubulação, antes de se iniciar a aplicação do produto e após determinados períodos.
a) Antes da aplicação do produto: em pontos iniciais, médios e finais do sistema de distribuição da água, retirar parte da rede e medir os tubérculos existentes, fotografar /ou filmar.
Recolocar os tubos no lugar, tomando o cuidado para não alterar as condições dos tubérculos;
b) Durante a aplicação do produto em determinados períodos, retirar as redes nos mesmos locais, tomando o cuidado para não alterar as condições dos tubérculos, medi-los novamente, fotografar e/ou filmar. Recolocar os tubos, comparar os resultados.
O controle da dosagem de produtos a base de Orto-Polifosfato, efetuado através de análise de fosfatos, estão utilizando métodos colorimétricos, bem como análise de P2O5 e
PO4 reativo do produto, de acordo com Standart Methods - 19° Edição.
RESULTADOS OPERACIONAIS
Em função das características da água produzida na Estação de Tratamento de Água do Rio Iguaçú, foi iniciada a aplicação de Orto-Polifosfato no dia 05/12/97 à uma dosagem de 2,0 g/m3.
Já nos primeiros meses de aplicação, os seguintes dados foram observados, com relação a situação da qualidade da água distribuída, onde dois indicadores mostram a significativa melhora.
O primeiro indicador é de caráter externo, onde a resposta vem do cliente. Após a aplicação do Orto-Polifosfato detectamos considerável diminuição do número de reclamações, passando de 578 em Novembro, para 178 em Dezembro, 72 em Janeiro, 88 em Fevereiro, 119 em Março, 100 em Abril e 59 no mês de Maio . Podemos observar, esses dados na Figura no 1 de Reclamações de Qualidade da Água - RQA.
O segundo indicador é de caráter interno, e a resposta vem do Índice da Qualidade da Água Distribuída - IQAD, onde são realizadas aproximadamente 400 análises por mês.
Após o início da aplicação do Orto-Polifosfato, foi detectado considerável aumento no Índice de Qualidade na rede de distribuição, passando de 58,96 % em Novembro, para 88,99 % em Dezembro, 90,04 % em Janeiro, 90,24 % em Fevereiro, 83,12 % em Março, 90,06 em Abril e 80,64 no mês de Maio, conforme Figura no 2 do Índice da Qualidade da Água Distribuída - IQAD.
Resultados estes que, demonstram significativamente a redução de “águas vermelhas” águas sujas no sistema distribuidor. Inclusive reduzindo o volume gasto em descargas de rede de ordem de 150.000 m3 mês, representando aproximadamente 1% do volume produzido.
RECLAMAÇÕES DA QUALIDADE DA ÁGUA - RQA 229 578 178 72 88 119 100 292 370 59 0 100 200 300 400 500 600
Ago/96 Set/96 Out/96 Nov/96 Dez/96 Jan/97 Fev/97 Mar/97 Abr/97 Mai/97
Figura No 2 - Índice da Qualidade da Água de Distribuição - IQAD.
ÍNDICE DA QUALIDADE DA ÁGUA DISTRIBUÍDA - IQAD
49,27 48,92 61,8 46,43 58,96 88,99 90,04 90,24 83,12 90,06 84,64 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Jul/96
Ago/96 Set/96 Out/96 Nov/96 Dez/96 Jan/97 Fev/97 Mar/97 Abr/97 Mai/97
. Na seqüência, apresentamos os resultados das análises de Ferro no Sistema Produtor e Sistema Distribuidor, onde se constata teores de Ferro bastante superiores no Sistema Distribuidor, comparados aos valores encontrados no Sistema Produtor, demonstrando a remoção gradativa das incrustações, conforme demonstra Figura no 1. Fato este que pode ser comprovado através das Figuras/Fotografias no 1 e 2 também na seqüência, sendo a Figura/Fotografia no 1 antes da aplicação do produto e a Figura/Fotografia no 2 após 3 meses de seu uso.
TABELA 1 - Remoção de Ferro - Rede de Distribuição - REF. ABRIL/97.
SISTEMA No
ANÁLISES PPM/FERRO - MÉDIO
PRODUTOR IGUAÇÚ 39 0,04
DISTRIBUIDOR IGUAÇÚ 49 0,29 PRODUTO TARUMÃ 33 0,03
DISTRIBUIDOR TARUMÃ 29 0,16 REMOÇÃO DISTRIBUIDOR IGUAÇÚ 0,25 REMOÇÃO DISTRIBUIDOR TARUMÃ 0,13
FIGURA/FOTOGRAFIA No 1. FIGURA/FOTOGRAFIA No 2.
CONCLUSÃO
Com base em todos esses resultados até agora demonstrado podemos concluir que a aplicação de Orto -Polifosfato traz uma série de benefícios a operação de um sistema de abastecimento de água e o custo/benefício de sua utilização demonstra a viabilidade econômica de seu uso.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. JAMES J. COSTELLO, AWWA Journal, Nov. 1984.
2. MANUAL TECNICO DEL AGUA, Degrémont 1973.
3. STANDARD METHODS, 19° Edição 1995.
4. IVAN ANTONIO PEREIRA, Água Tratamento e Qualidade, American Wates Works Association 1964.
5. WATER TREATMENT HANDBOOK, Six Edition 1991.
6. SEQUESTERING METHODS OF IRON AND MANGANESE
