GUILHERME ALVAREZ DE CAMPOS
Avaliação de desempenho dos principais coagulantes
industriais utilizados no tratamento físico-químico de águas
residuárias
.LORENA - SP 2019
Avaliação de desempenho dos principais coagulantes
industriais utilizados no tratamento físico-químico de águas
residuárias.
LORENA - SP 2019
Projeto de monografia apresentado à Escola
de Engenharia de Lorena da Universidade
de São Paulo como requisito parcial para
obtenção do Título de Engenheiro Químico.
Orientador: Luis Fernando Figueiredo Faria
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
de Campos, Guilherme Alvarez
Avaliação de desempenho dos principais coagulantes industriais utilizados no tratamento físico-químico de águas residuárias. / Guilherme Alvarez de Campos; orientador Luis Fernando Figueiredo Faria. -Lorena, 2019.
95 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química - Escola de Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo. 2019
1. Coagulação. 2. Sulfato de alumínio. 3. Cloreto férrico. 4. Policloreto de alumínio. 5. Tratamento de efluentes. I. Título. II. Faria, Luis Fernando
À minha família, pelo apoio incondicional em todos os momentos. Mãe, seu amor e sua compreensão me deram forças para continuar quando pensei em desistir. Pai, seu exemplo e seu trabalho foram os motivos que me trouxeram até aqui. Meu irmão, seu apoio e seu companheirismo, os quero até o final, são e sempre serão essenciais em minha vida.
Agradeço à minha família, que sempre me proporcionou condições para meus estudos e se preocupou com a pessoa que eu me tornaria no futuro. Muito obrigado, meus pais, Maria e José, meu irmão, Gustavo, meus tios, Pedroso e Edmundo, minhas tias, Norma e Thais, meus primos, Veridiana, Marcelo, Renata, Cristiano e Adriana, minhas sobrinhas, Carolina, Fernanda e Luiza, e minha afilhada, Helena. Amo a cada um de vocês.
Agradeço a meus professores, meus mestres e exemplos. Vocês são o motivo pelo qual fiz diversas escolhas que me trouxeram até aqui. Obrigado pelos ensinamentos, dentro e fora da sala de aula. Muito obrigado.
Agradeço aos meus amigos da República Balaíso de Cobra pelos momentos de felicidade e parceria ao longo desta caminhada. Alegria de viver ao lado de pessoas como vocês.
Agradeço aos meus amigos das Repúblicas Faenquil, Curva de Rio, Pé na Jaka, Cuba Libre, Ogro e todos os demais pelos momentos que vivemos juntos.
Agradeço ao Mamutes Rugby, pela amizade e lealdade de todos os seus integrantes, que me ensinaram muito, dentro e fora de campo. Foi um prazer, senhores.
De Campos, Guilherme Alvarez. Avaliação de desempenho dos principais coagulantes industriais utilizados no tratamento físico-químicode águas residuárias. 90p. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena-SP.
A coagulação é uma etapa fundamental do tratamento físico-químicode águas residuárias. A dosagem de um agente coagulante faz com que partículas coloidais presentes nos efluentes aglutinem-se originando estruturas maiores denominadas coágulos que, em sua maioria, possuem tamanho e peso suficientes para serem segregados da fase líquida através de decantação ou flotação, processos físico químicos de separação após os quais ocorre apreciável remoção de carga orgânica e redução da concentração de sólidos suspensos, cor e turbidez dos efluentes, produzindo assim um efluente capaz de atender a legislação estipulada por órgãos ambientais (CONAMA e Cetesb) para despejo nos diferentes corpos receptores. Além de ser determinante para a qualidade de despejos líquidos, a coagulação também tem impacto significativo na composição das tortas geradas nas etapas de desaguamento do lodo produzido pelos processos de separação de clarificado, comumente enviadas a aterros industriais. Neste trabalho foi avaliado o desempenho dos coagulantes sulfato de alumínio, cloreto férrico e policloreto de alumínio no processo de tratamento de efluentes de um complexo industrial situado em Guaratinguetá responsável pela produção de agrotóxicos, monômeros acrílicos, catalisadores, petroquímicos, intermediários químicos e diversificada gama de polímeros. O estudo aplicou metodologias de planejamento experimental do tipo fatorial e adotou como variáveis resposta COT, SST e turbidez, cujos resultados analíticos, após análise estatística, indicaram o policloreto de alumínio como coagulante mais eficiente para o tratamento do efluente analisado.
Palavras chave: Efluentes. Coagulação. Sulfato de alumínio. Cloreto férrico. Policloreto de alumínio.
Áreas envolvidas da Engenharia Química: Engenharia de Processos. Engenharia Ambiental. Tratamento de Efluentes.
De Campos, Guilherme Alvarez. Performance evaluation of the main industrial coagulants used in physical chemical wastewater treatment. 90 p. Undergraduate thesis - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena-SP.
Coagulation is an essential stage at the physical chemical wastewater treatment. The coagulant dose causes the wastewater colloidal particles agglutination, generating bigger structures named clots, which, oftentimes, have enough size and weight to be separated from the liquid phase by sedimentation or flotation, physical chemical separation processes after which significant organic load removal and suspended solids concentration, color and turbidity reduction are observed in wastewater streams, resulting in a treated liquid stream capable of complying with the threshold limits stablished by the enviromental institutions (CONAMA and Cetesb) for direct discharge into water bodies. Not only determinant for the treated wastewater quality, the coagulation stage also has a significant impact on the dehydrated sludge composition generated on the sludge dewatering stage, commonly sent to industrial landfills. This work evaluated the treatment performance of the coagulants aluminum sulfate, ferric chloride and aluminum polichloride in a wastewater sample from an industrial complex located in Guaratinguetá which manufactures pesticides, acrylic monomers, catalyzers, petrochemicals, chemical intermediates and a large number of polymers. A design of experiments factorial method was applied and TOC, TSS and turbidity were used as response variables, whose results, after statistical analysis, imply that aluminum polichloride is the most efficient coagulant for the wastewater sample treatment. Keywords: Wastewater. Coagulation. Aluminum sulfate. Ferric Chloride. Aluminum polichloride.
Chemical Engineering Segments: Process engineering. Enviromental engineering. Wastewater treatment.
Figura 1. Gradeamento para remoção de sólidos grosseiros com limpeza
manual...26
Figura 2. Gradeamento para remoção de sólidos grosseiros com limpeza automática...26
Figura 3. Peneira Estática para remoção de sólidos grosseiros...27
Figura 4. Peneira Rotativa para remoção de sólidos grosseiros...27
Figura 5. Tanque de equalização por ar difuso...28
Figura 6. Tanque de equalização com agitador mecânico...28
Figura 7. Estrutura da partícula coloidal e potencial Zeta...32
Figura 8. Fluxograma do tratamento físico-químicode efluentes tradicional...35
Figura 9. Número de artigos científicos publicados empregando DOE ao longo dos anos...38
Figura 10. Diagrama de Pareto para COT – Coagulante Al2(SO4)3...48
Figura 11. Efeitos principais individualizados sobre COT – Coagulante Al2(SO4)3...47
Figura 12. Efeitos principais combinados sobre COT - Coagulante Al2(SO4)3...50
Figura 13. Eficiência de remoção de COT - Coagulante Al2(SO4)3...51
Figura 14. Diagrama de Pareto para SST – Coagulante Al2(SO4)3...52
Figura 15. Efeitos principais individualizados sobre SST - Coagulante Al2(SO4)3...53
Figura 16. Efeitos principais combinados sobre SST - Coagulante Al2(SO4)3...54
Figura 17. Eficiência de remoção de SST - Coagulante Al2(SO4)3...55
Figura 18. Diagrama de Pareto para turbidez – Coagulante Al2(SO4)3...57
Figura 19. Efeitos principais individualizados sobre turbidez - Coagulante Al2(SO4)3...58
Figura 21. Diagrama de Pareto para COT – Coagulante FeCl3...62
Figura 22. Resultados para a variável resposta COT em função de [Coagulante] - Coagulante FeCl3...63
Figura 23. Eficiência de remoção de COT – Coagulante FeCl3...64
Figura 24. Diagrama de Pareto para SST - Coagulante FeCl3...65
Figura 25. Resultados para a variável resposta SST em função de [Coagulante]– Coagulante FeCl3...66
Figura 26. Eficiência de remoção de SST – Coagulante FeCl3...67
Figura 27. Diagrama de Pareto para turbidez – Coagulante FeCl3...69
Figura 28. Resultados para a variável resposta turbidez em função de [Coagulante]– Coagulante FeCl3...70
Figura 29. Diagrama de Pareto para COT - Coagulante PAC...73
Figura 30. Efeitos principais individualizados sobre COT - Coagulante PAC...74
Figura 31. Efeitos principais combinados sobre COT - Coagulante PAC...75
Figura 32. Eficiência de remoção de COT - Coagulante PAC...76
Figura 33. Diagrama de Pareto para SST - Coagulante PAC...77
Figura 34. Efeitos principais individualizados sobre SST - Coagulante PAC...78
Figura 35. Efeitos principais combinados sobre SST - Coagulante PAC...79
Figura 36. Eficiência de remoção de SST - Coagulante PAC...80
Figura 37. Diagrama de Pareto para turbidez - Coagulante PAC...81
Figura 38. Efeitos principais individualizados sobre turbidez - Coagulante PAC..82
Figura 39. Efeitos principais combinados sobre turbidez - Coagulante PAC...83
Figura 40. Análise comparativa dos melhores resultados de COT...85
Figura 41. Análise comparativa dos melhores resultados de SST...86
Tabela 1. Taxas de aplicação para dimensionamento de decantadores... 36 Tabela 2. Níveis das variáveis de controle definidas... 44 Tabela 3. Resultados analíticos do efluente neutralizado...46 Tabela 4. Resultados analíticos do sobrenadante produzido através da aplicação do coagulante Al2(SO4)3...47
Tabela 5. Resultados analíticos do sobrenadante produzido através da aplicação do coagulante FeCl3...61
Tabela 6.Resultados analíticos do sobrenadante produzido através da aplicação do coagulante PAC...72
Lista de Quadros
Quadro 1. Níveis das variáveis de controle...40 Quadro 2. Matriz experimental do método fatorial completo...45
Cetesb – Companhia Ambiental do Estado de São Paulo CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente
COT – Carbono orgânico total
DBO5,20 – Demanda bioquímica de oxigênio
DOE – Design of Experiments
DQO – Demanda química de oxigênio ETA – Estação de tratamento de água ETE – Estação de tratamento de efluentes
FISPQ – Ficha de informação de segurança para produto químico FSTA – Food Science and Technology Abstract
PAC – Policloreto de alumínio SSF – Sólidos suspensos fixos SST – Sólidos suspensos totais SSV – Sólidos suspensos voláteis
1.1. Justificativa ... 14 1.2. Objetivo ... 15 1.2.1. Objetivos Específicos ...15 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16 2.1. Efluente ... 16 2.1.1. Efluente Sanitário ...16 2.1.2. Efluente Industrial ...16 2.2. Tipos de Lançamento ... 17 2.2.1. Lançamento Direto ...18 2.2.2. Lançamento Indireto ...18 2.3. Legislação Ambiental ... 18 2.3.1. Restrição para pH ...19
2.3.2. Restrições para Temperatura ...19
2.3.3. Restrições para Substâncias Solúveis em Hexano ...20
2.3.4. Restrições para Demanda Bioquímica de Oxigênio ...20
2.3.5. Restrições para Metais Pesados ...20
2.3.6. Restrições para Cianeto ...20
2.4. Parâmetros físico-químicos monitorados no processo de tratamento de efluentes ... 21
2.4.1. Demanda Química de Oxigênio ...21
2.4.2. Demanda Bioquímica de Oxigênio ...22
2.4.3. Carbono Orgânico Total ...23
2.4.4. Sólidos Suspensos Totais ...23
2.4.5. Cor ...24
2.4.6. Turbidez ...24
2.5. Etapas do Processo Físico-químico Tradicional de Tratamento de Efluentes 24 2.5.1. Remoção de Sólidos Grosseiros ...25
2.5.2. Equalização do efluente bruto ...28
2.5.6. Floculação ...34
2.5.7. Unidades de Separação de clarificado ...35
2.5.8. Remoção da Umidade do Lodo Físico-químico Gerado ...37
2.6. Planejamento Experimental ... 38
2.6.1. Planejamento Experimental do tipo Fatorial ...39
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 41
3.1. Material Utilizado ... 41
3.2. Procedimento Experimental ... 41
3.2.1. Amostragem e Preservação ...42
3.2.2. Descrição do Ensaio Experimental Realizado: ...42
3.3. Metodologia de Planejamento Experimental ... 43
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 46
4.1. Análise da aplicação do coagulante sulfato de alumínio ... 47
4.1.1. Análise de desempenho do coagulante sulfato de alumínio sobre a variável resposta COT ...48
4.1.2. Análise de desempenho do coagulante sulfato de alumínio sobre a variável resposta SST ...52
4.1.3. Análise de desempenho do coagulante sulfato de alumínio sobre a variável resposta turbidez ...56
4.1.4. Análise comparativa de desempenho do coagulante sulfato de alumínio sobre as variáveis resposta COT, SST e Turbidez. ...59
4.2. Análise da aplicação do coagulante cloreto férrico... 60
4.2.1. Análise de desempenho do coagulante cloreto férrico sobre a variável resposta COT ...61
4.2.2. Análise de desempenho do coagulante cloreto férrico sobre a variável resposta SST ...65
4.2.3. Análise de desempenho do coagulante cloreto férrico sobre a variável resposta turbidez. ...68
4.2.4. Análise comparativa de desempenho do coagulante cloreto férrico sobre as variáveis resposta COT, SST e Turbidez. ...71
4.3. Análise da aplicação do coagulante policloreto de alumínio ... 72
4.3.1. Análise de desempenho do coagulante policloreto de alumínio sobre a variável resposta COT ...73
4.3.3. Análise de desempenho do coagulante policloreto de alumínio sobre a
variável resposta turbidez. ...81
4.3.4. Análise comparativa de desempenho do coagulante policloreto de alumínio sobre as variáveis resposta COT, SST e turbidez ...84
4.4. Análise comparativa entre os coagulantes investigados nas condições de melhor desempenho individual ... 85
5. CONCLUSÕES ... 89
REFERÊNCIAS ... 90
ANEXO A: Decreto nº 8.468 – Artigo 18 da Cetesb ... 93
1. INTRODUÇÃO
1.1. Justificativa
Os recursos hídricos ao redor do planeta estão cada vez mais escassos devido, entre outros fatores, à grande exploração de mananciais, má gestão no uso da água, degradação ecológica e despejo de águas residuárias sem tratamento adequado, o que frente ao cenário de crescimento populacional nacional e mundial atuais, torna-se um problema cada vez mais grave ao longo dos anos. A preocupação com cenário ambiental está no centro das discussões ao redor do mundo, havendo grande interesse econômico e social na preservação dos corpos d’água.
Diante deste quadro, as legislações ambientais avançaram bastante nos últimos anos, tornando-se mais restritivas, as sanções tornaram-se mais rigorosas e fiscalização por órgãos ambientais mais frequentes e minuciosas. No entanto, ainda há muito que se desenvolver nesta área para impedir o colapso de ecossistemas aquáticos e terrestres. Assim sendo, as ETE’s ganharam importância diferenciada nas indústrias químicas nos últimos anos e são alvo de investimentos cada vez mais robustos e de estudos de melhoria de processo cada vez mais específicos, como é o caso do estudo abordado neste trabalho.
Dentre as variantes de um processo de tratamento de efluentes, a etapa de coagulação/floculação, sempre presente, exerce um papel fundamental para a eficácia do sistema, sendo responsável diretamente não só pela qualidade do efluente tratado produzido como também pela composição dos resíduos sólidos gerados no tratamento (GIORDANO, 2004). Logo é uma etapa que merece grande atenção de pesquisadores e estudantes que buscam compreender o tratamento de despejos industriais e sanitários.
Este trabalho oferece uma abordagem experimental de uma análise de desempenho, realizada em Jar Test, dos principais coagulantes industriais utilizados no Brasil hoje: sulfato de alumínio, cloreto férrico e policloreto de alumínio (PAC), avaliando sua capacidade de remoção dos principais parâmetros monitorados para determinação da qualidade de um despejo líquido de uma indústria química da região.
1.2. Objetivo
Este trabalho objetiva analisar tecnicamente o desempenho de três coagulantes industriais empregados no tratamento físico-químico de efluentes de uma empresa química situada no Vale do Paraíba e, mediante esta análise, avaliar a possibilidade de substituição do atual coagulante utilizado no processo.
1.2.1. Objetivos Específicos
a) Analisar, aplicando ferramentas de planejamento de experimentos do tipo fatorial, a influência de diferentes parâmetros na coagulação de um efluente adotando como variáveis resposta: COT, SST e Turbidez.
b) Determinar a combinação ideal de uso destes parâmetros para alcançar uma alta eficiência na etapa de coagulação.
c) Avaliar a aplicabilidade da combinação ideal de uso destes parâmetros no processo industrial, tendo em vista os impactos na etapa de coagulação primária e nas etapas subsequentes.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Efluente
Conforme dispõe a Resolução nº 430 do CONAMA, de 13 de Maio de 2011, efluentes são “despejos líquidos provenientes de diversas atividades ou processos” (CONAMA, 2011).
O uso da água para processamentos industriais, eliminação de dejetos sanitários, lavagem de máquinas e equipamentos, sistemas de refrigeração e geração de vapor a tornam imprópria para o uso e consumo humano, transformando-a em um efluente (GIORDANO, 2004)
Essencialmente, os efluentes podem ser divididos entre: efluentes industriais e sanitários.
2.1.1. Efluente Sanitário
Efluentes sanitários são compostos basicamente de despejos líquidos domésticos, águas de lavagem e águas pluviais. Sua composição se baseia essencialmente em urina, fezes, água de banho, sabões, detergentes e restos de comida (FERREIRA, A. C.; LISBOA, J. S.; MARQUES, 2013). Frequentemente efluentes sanitários apresentam elevada concentração de nitrogênio, proveniente de excretas humanas.
2.1.2. Efluente Industrial
Os efluentes industriais, por outro lado, apresentam uma composição bastante diversificada, dependendo do tipo de atividade industrial de onde provêm, devendo ser analisados e tratados de acordo com o efluente gerado, ou seja, não há um modelo único para o tratamento de efluentes gerados por diferentes atividades industriais.
A indústria de laticínios produz essencialmente efluentes com elevado teor de gordura, resíduos de produtos de limpeza, leite e derivados (GIORDANO, 2004). Este efluente comumente apresenta elevada concentração de DQO e óleos e graxas.
O efluente gerado por indústrias produtoras de cerveja geralmente se apresenta rico em açúcares, contendo terras diatomáceas oriundas da filtração do mosto e resquícios de óleos minerais proveniente de vazamentos de equipamentos. (GIORDANO, 2004).
A indústria de refrigerantes produz despejos líquidos contendo uma variedade de corantes, acidulantes e elevado teor de açúcar (GIORDANO, 2004).
Os abatedouros produzem efluentes com elevada concentração orgânica, contendo sangue, gorduras, resquícios de carne, terra e esterco (GIORDANO, 2004). Caracterizados pelo aspecto malcheiroso, apresentam elevadas concentrações de DQO e DBO.
A indústria de tintas é responsável pela geração de efluentes contendo residual de resinas, pigmentos e solventes (NASCIMENTO, 2013).
Os efluentes gerados na síntese química de fármacos apresentam elevada carga de matéria orgânica, sais, compostos aromáticos, elevadas concentrações de nitrogênio e cor residual. Estes efluentes também são marcados por sua alta toxicidade (GIORDANO, 2004).
Os efluentes produzidos na indústria têxtil possuem elevada cor e turbidez e, na maioria dos casos, não é biodegradável. Este ramo da indústria química também produz despejos líquidos com elevada toxicidade devido a presença de composto de alta complexidade e consequente difícil degradação, como corantes e surfactantes (UEDA, A. C.; TAKESHITA, E. V.; SILVA, G. I.; FREITAS, K. R.; ESPOSITO, 2004).
A indústria petroquímica, por sua vez, gera grandes correntes de despejos contendo uma enorme variedade de compostos orgânicos (leves, pesados, aromáticos e lineares) e também grandes correntes de efluentes não contaminados como águas provenientes do Blow Down de torres de resfriamento (purgas) e vapor (GIORGI, C. F.; WADA, 2006).
2.2. Tipos de Lançamento
O tipo de lançamento do efluente é um fator de extrema importância para definição do processo de tratamento de efluentes e irá depender da existência ou não de redes coletoras de efluentes, públicas ou privadas, nas proximidades da empresa, ficando a empresa obrigada a descartar seus resíduos líquidos nestas
redes coletoras caso estas existam em suas intermediações. Neste caso um investimento muito robusto no processo de tratamento não é indicado, pois estas redes aceitam despejos com concentrações de parâmetros físico-químicos mais elevadas e eficiências de remoção menores do que outros corpos d’água.
2.2.1. Lançamento Direto
“Quando ocorre a condução direta do efluente ao corpo receptor” (CONAMA, 2011). Neste caso não há nenhuma rede de coleta entre o processo de tratamento e o corpo receptor, o que significa que o efluente tratado produzido pela empresa terá contato imediato com o meio ambiente.
2.2.2. Lançamento Indireto
“Quando ocorre a condução do efluente, submetido ou não a tratamento, por meio de rede coletora que recebe outras contribuições antes de atingir o corpo receptor” (CONAMA, 2011). Neste caso há uma rede específica de coleta de despejos líquidos entre o ponto de emissão de efluentes e os corpos d’água. Neste caso os padrões de emissão exigidos por lei são menos restritivos.
2.3. Legislação Ambiental
A nível federal, a legislação que regulamenta o lançamento de efluentes líquidos e a classificação dos corpos d’água é a Resolução CONAMA nº 430, de 13 de maio de 2011 (MATUSAKI, 2018).
“As legislações estaduais tendem a ser mais restritivas do que a federal” (MATUSAKI, 2018), pois algumas unidades da federação ainda encontram-se relativamente atrasadas no que diz respeito ao acesso às tecnologias de tratamento de efluentes mais modernas e de custo mais elevado, ficando obrigadas então a atender padrões de emissão de poluentes menos restritivos.
No estado de São Paulo, além de atender as disposições do CONAMA as unidades geradoras de efluentes devem atender o Decreto Estadual 8.468 que regulamentou a lei 997 de 31 de Maio de 1976.
A lei de crimes ambientais 9.605, de 12/02/1998 dispõe em seu artigo 2º que:
Nota-se através desta lei que, a partir da data mencionada, infrações penais em matéria ambiental tornaram-se crimes, o que representou um importante avanço para a preservação ambiental em território nacional, forçando empresas com atividades industriais a encarar com mais seriedade o tratamento de seus despejos, uma vez que as sanções passaram a prever a interrupção total das atividades industriais e recolhimento domiciliar.
Amostras de efluente tratado devem atender aos limites legais estabelecidos para despejo no corpo hídrico destinado a recebe-las. Amostras de efluente lançadas em rios Classe II, estão sujeitas ao que dispõe o Decreto nº 8.468 – Artigo 18 da Cetesb, trazido em anexo neste trabalho (ANEXO A).
2.3.1. Restrição para pH
É estabelecida uma faixa de pH entre 5,0 e 9,0 porque pH’s muito ácidos ou muito básicos podem ser nocivos à microbiologia contida no próprio corpo receptor responsável por fazer a depuração da matéria presente no mesmo (seja ela advinda de despejos ou naturalmente presente naquele corpo d’água) ao longo de todo seu curso.
2.3.2. Restrições para Temperatura
A temperatura de disposição de efluentes em rios classe II não pode ultrapassar 40ºC porque valores de temperatura muito elevados prejudicam a dissolução de oxigênio gasoso em meio aquoso, isto é, diminui a concentração de oxigênio dissolvido na água, que deve se manter próxima de 8 mg/L. (MATUSAKI, 2018). Concentrações de oxigênio dissolvido inferiores a essa prejudicam as atividades metabólicas de bactérias aeróbicas, algas, plantas e peixes.
Quem, de qualquer forma, concorre para a prática dos crimes previstos nesta Lei, incide nas penas a estes cominadas, na medida da sua culpabilidade, bem como o diretor, o administrador, o membro de conselho e de órgão técnico, o auditor, o gerente, o preposto ou mandatário de pessoa jurídica, que, sabendo da conduta criminosa de outrem, deixar de impedir a sua prática, quando podia agir para evitá-la.
2.3.3. Restrições para Substâncias Solúveis em Hexano
Este grupo de substâncias compreende essencialmente óleos (animais, vegetais e minerais) e graxas, substâncias imiscíveis em água e menos densas que a água, propriedades que garantem uma separação de fases no efluente, propiciando a formação de uma película oleosa na superfície líquida, o que impede a troca de gases entre o meio aquático e o ar (MATUSAKI, 2018), além de promover a flotação de materiais sedimentáveis.
2.3.4. Restrições para Demanda Bioquímica de Oxigênio
A análise da demanda bioquímica de oxigênio (DBO5,20) fornece uma
medição quantitativa indireta da matéria orgânica biodegradável presente em uma determinada amostra. Quando a concentração de DBO5,20 está muito elevada há
uma grande oferta de substrato disponível no ambiente aquático, o que pode resultar na proliferação descontrolada de algas e consequentemente de outros microrganismos que degradam a matéria orgânica aerobicamente, diminuindo a quantidade de oxigênio dissolvido disponível em rios e lagos, o que pode resultar na mortandade de peixes e outros organismos aquáticos. Este fenômeno é denominado eutrofização (MATUSAKI, 2018)
2.3.5. Restrições para Metais Pesados
Em sua maioria, metais pesados são tóxicos e bioacumulativos, isto é, são nocivos ao ser humano e outras formas de vida e não são eliminados pelos organismos, acumulando-se (MATUSAKI, 2018). Estão associados ao desenvolvimento de alguns tipos de câncer e doenças degenerativas.
2.3.6. Restrições para Cianeto
Cianetos livres em solução são potencialmente problemáticos. Em meio ácido levam a formação de gás cianídrico (MATUSAKI, 2018), sequestrante de oxigênio, o que pode levar organismos aeróbicos à morte por asfixia química.
2.4. Parâmetros físico-químicos monitorados no processo de
tratamento de efluentes
2.4.1. Demanda Química de Oxigênio
A demanda química de oxigênio (DQO) pode ser compreendida como a quantidade de oxigênio necessária para promover a oxidação química de compostos orgânicos carbonáceos e nitrogenados (SANTOS, 2004), ou seja, é um parâmetro físico-químico que fornece uma medição indireta da matéria orgânica presente em uma corrente líquida através da quantidade de oxigênio necessária para degradá-la. A oxidação completa da matéria orgânica carbonácea produz gás carbônico, que se desprende do meio aquoso, e água.
“Quando se trata de águas, este parâmetro torna-se especialmente importante, pois estima o potencial poluidor de efluentes domésticos e industriais” (OLIVEIRA, 2014).
O método analítico para determinação do DQO consiste em promover a oxidação química da matéria orgânica através de sua reação com um agente oxidante forte, como o dicromato de potássio, em meio ácido (CARDOSO, A. A.; ROSA A. H.; ROCHA, 2009). A equação química envolvida nesta análise pode ser representada por:
O método analítico descrito pelo Standard Methods for Examination of Water
and Wastewater para determinação da DQO se baseia na oxidação dos compostos
orgânicos presentes na amostra através da reação com dicromato, adicionado em excesso, em meio ácido e a alta temperatura (150ºC) por duas horas na presença de sulfato de prata, catalisador da reação (CARDOSO, A. A.; ROSA A. H.; ROCHA, 2009). Ao final da reação, ocorre a formação do íon cromo trivalente, que pode ter sua concentração determinada através de espectrofotometria.
2.4.2. Demanda Bioquímica de Oxigênio
Em ambientes aquáticos está presente uma grande variedade de microrganismos que utilizam a matéria orgânica contida na água como substrato para suas reações metabólicas de obtenção de energia. Esta matéria orgânica será degrada pela microbiologia contida nos corpos d’água, aeróbica ou anaerobicamente (SANTOS, 2004). A degradação anaeróbica da matéria orgânica presente nos corpos d’água consome o próprio oxigênio contido nos compostos orgânicos, liberando CH4 e H2S. A degradação em condições aeróbicas promove a oxidação
dos compostos orgânicos por meio da reação com o oxigênio presente no meio, liberando CO2 e H2O.
Assim, a demanda bioquímica de oxigênio (DBO5,20) pode ser compreendida
como a quantidade de oxigênio necessária para promover a oxidação aeróbica do material orgânico contido em uma amostra líquida por ação microbiológica, sendo, portanto, um parâmetro que fornece uma medida indireta da quantidade de matéria orgânica biodegradável presente em corpos d’água.
A relação DQO/DBO5,20 é um fator importante para compreender a
biodegradabilidade de um efluente. Quanto maior o valor da relação DQO/DBO5,20,
maior é a concentração de DQO frente a concentração de DBO5,20 da amostra
analisada, o que indica que o efluente possui um grande percentual de matéria orgânica que não pode ser depurada biologicamente, sendo este efluente pouco biodegradável. Analogamente, quanto menor a relação DQO/DBO5,20, maior é o
percentual de material orgânico que pode ser degradado por vias bioquímicas, logo este efluente apresentará alta biodegradabilidade.
Na análise de DBO5,20 o efluente é incubado por 5 dias a temperatura
constante de 20ºC. O método analítico se baseia na medida da diminuição de pressão em um sistema fechado, uma vez que o O2 disponível no meio reacional é
consumido pela microbiota presente resultando na liberação de CO2, que é
absorvido por pastilhas de hidróxido de sódio (“Standard Methods for the
2.4.3. Carbono Orgânico Total
O carbono orgânico total (COT) é uma análise que se baseia na oxidação catalítica ocorrida em altas temperaturas, em que a medição de CO2 se dá por
espectroscopia de infravermelho. Primeiramente, a amostra deve ser filtrada em cartuchos de membrana e o pH da amostra deve ser ajustado para valores abaixo de 3,0 para eliminar interferentes inorgânicos.
2.4.4. Sólidos Suspensos Totais
Os sólidos presentes em amostras líquidas podem ser sólidos dissolvidos (SD) ou sólidos suspensos (SS). Os sólidos dissolvidos apresentam tamanho de partícula menor, caracterizando uma mistura sólido/ líquido que pode ser classificada como uma solução, logo requerem processos de separação mais complexos. Os sólidos suspensos são sólidos de particulados de tamanho maior, caracterizando misturas sólido/ liquido enquadradas como colóides ou suspensões, podendo ser separados do meio liquido por filtração, decantação e flotação.
O método analítico para determinação dos sólidos suspensos totais (SST) se baseia na filtração de um volume de amostra determinado utilizando um cadinho de porcelana contendo papel de filtro, previamente pesados, após serem retirados de um dessecador, onde a umidade presente no cadinho terá sido eliminada e sua temperatura estará em condições ambientais. Após a filtração, o cadinho contendo o resíduo sólido retido (torta), é colocado em uma estufa a 103 – 105ºC por 30 minutos. Em seguida o cadinho é retirado da estufa e retornado ao dessecador para retirada da umidade residual e resfriamento.
Em seguida o cadinho é pesado em balança analítica previamente calibrada. A diferença de peso entre o cadinho contendo somente o papel de filtro para o cadinho contendo o papel de filtro e a torta corresponde ao SST.
Para determinação dos sólidos suspensos fixos (SSF) e sólidos suspensos voláteis (SSV), o cadinho deverá ser colocado em uma mufla a 550ºC, por 30 minutos. Após esta condição, boa parte do material inicialmente retido no papel de filtro se volatilizará (SSV), o que permanecer retido no cadinho corresponde à parcela fixa (SSF). A diferença entre eles pode ser verificada por uma segunda pesagem em balança analítica.
Tratando especificamente de amostras de efluente coletadas na saída de reatores biológicos, as análises de SST, SSF e SSV ganham uma grande importância, pois a microbiologia contida no reator apresenta constituição orgânica, logo corresponderia aos SSV. Desta maneira, pode-se estimar a massa de microrganismos contidos no reator através desta análise (SPERLING, 2016)
2.4.5. Cor
A cor da água, na maioria dos casos, é provocada por compostos orgânicos de origem vegetal que, pela atividade de microrganismos e pelos resíduos das atividades humanas, se decompõem (PAVANELLI, 2001) tingindo a amostra. A quantificação deste parâmetro é feita através de espectrofotometria.
2.4.6. Turbidez
A turbidez é um parâmetro físico-químico que pode ser compreendido como a resistência da água à passagem de luz. É causada pela presença partículas coloidais e microrganismos suspensos no meio líquido, tornando-o turvo e, consequentemente, diminuído sua transparência (TIBA, 2012). A espectrofotometria é o método analítico empregado na quantificação deste parâmetro.
2.5. Etapas do Processo Físico-químico Tradicional de
Tratamento de Efluentes
O tratamento físico-químico de efluentes, também denominado tratamento primário, é composto, tradicionalmente, pelas etapas de acidificação, neutralização, coagulação e floculação sucedidas por uma etapa de separação de efluente
clarificado (decantação ou flotação). Frequentemente, o tratamento primário é precedido de uma etapa de equalização (MATUSAKI, 2018).
Em processos industriais de tratamento de efluentes mais complexos é frequente a existência de tratamentos secundários, ou bioquímicos. Estes consistem de um reator biológico aerado, onde a biomassa presente realiza a depuração da matéria orgânica presente no efluente, e unidades de separação (decantadores ou flotadores) secundárias, responsáveis por fazer a separação de fases entre o efluente clarificado (que já deve estar em condições de ser liberado ao corpo receptor) e o lodo biológico, composto essencialmente pela biomassa advinda do reator aerado.
O lodo biológico (ou secundário), diferentemente do lodo primário (inorgânico), possui a propriedade de decantar espontaneamente, dispensando a dosagem de coagulantes ou floculantes, se o reator biológico apresentar bom desempenho, isto é, estiver operando nas faixas de pH, OD e temperatura recomendadas possuindo uma proporção adequada entre DBO5,20/N/P. O uso de
coagulantes e floculantes é indicado somente em casos em que o desempenho do reator biológico estiver prejudicado e a decantação, consequentemente, não seja eficiente.
2.5.1. Remoção de Sólidos Grosseiros
A remoção de sólidos grosseiros presentes no efluente (papéis, plásticos, estopas, folhas, pedras...) é uma etapa de tratamento preliminar que objetiva a preservação dos equipamentos utilizados no processo de tratamento (bombas, vávulas, reatores) e previne o entupimento de tubulações. A remoção de sólidos grosseiros pode ser realizada através de gradeamento ou peneiras (MATUSAKI, 2018).
O gradeamento consiste na colocação de estruturas com barras verticais ou inclinadas, geralmente em aço-inox, aço-carbono ou fibra de vidro, com espaçamento variável de ¼ a 6 polegadas, dependendo-se do material que se deseja reter. A limpeza do gradeamento pode ocorrer de maneira manual (Figura 1) ou automática (Figura 2).
Figura 1 - Gradeamento para remoção de sólidos grosseiros com limpeza manual
Fonte: Companhia de Água e Esgoto da Paraíba (CAGEPA, 2018).
Figura 2 - Gradeamento para remoção de sólidos grosseiros com limpeza automática
Fonte: Sigma - Tratamento de Águas (2018).
As peneiras utilizadas para a remoção de sólidos grosseiros podem ser do tipo estáticas (Figura 3) ou rotativas (Figura 4). As peneiras rotativas, tecnologia mais nova e de aplicação mais recente no mercado, têm aberturas de 0,02 a 3,00 mm e tem uso bastante difundido no tratamento de efluentes de abatedouros e cortumes; as peneiras estáticas apresentam abertura de 0,5 a 3,0 mm, apresentam
baixo custo de instalação, baixo custo de operação e requerem pouca ou nenhuma manutenção. Este tipo de tecnologia é contraindicado no caso de efluentes contendo altos teores de óleos e graxas, pois estes podem provocar o entupimento das telas das peneiras.
Figura 3 - Peneira Estática para remoção de sólidos grosseiros
Fonte: Andritz (2018).
Figura 4 - Peneira Rotativa para remoção de sólidos grosseiros
2.5.2. Equalização do efluente bruto
A etapa de equalização, ocorrida em um tanque de equalização de efluentes, tem dois objetivos principais: primeiramente homogeneizar o efluente no que se refere a cargas orgânicas, condutividade e pH; E fazer o controle de vazão do processo de tratamento, mantendo-a constante, evitando picos de carga, através do controle de nível do tanque no início do tratamento.
O controle de vazão de um efluente equalizado é de extrema importância para o controle de processo (OLIVEIRA, 2014), pois evita alterações nas vazões de dosagens de insumos (em caso de tratamento físico-químico), que tem uma velocidade de resposta a partir de do momento de detecção de uma perturbação na entrada do sistema. Além disso, alterações na carga orgânica devem ser evitadas para o bom desempenho de processos bioquímico.
Existem diversas tecnologias para equalização de efluentes. Hoje em dia são empregados em larga escala agitadores mecânicos e difusores de ar. Agitadores mecânicos (pás, hélices, axiais, de fundo) devem ter um set point de rotação definido e requerem elevado gasto de energia elétrica e com manutenção. A equalização por ar difuso, tecnologia que emprega o borbulhamento de ar através de difusores (tubulares e discos) instalados no fundo de um tanque acoplados a sopradores de ar é uma tecnologia mais moderna e que vem conquistando espaço no mercado devido a seu menor custo operacional. Para fins de homogeneização de efluentes, empregam-se difusores de ar de bolha grossa, com maior velocidade de ascenção, promovendo uma mistura mais eficaz (DINAMARCO, 2017).
Figura 5 - Tanque de equalização por ar difuso
Fonte: B&F Dias - Sistemas para Tratamento de Efluentes (2018).
Figura 6 - Tanque de equalização com agitador mecânico
Fonte: REVISTA TAE - Especializada em Tratamento de Água e Efluentes (2018).
2.5.3. Acidificação
A etapa de acidificação, comumente realizada através da dosagem de ácido sulfúrico, ácido clorídrico ou borbulhamento de dióxido de carbono em tanques de mistura rápida (60 rpm pelo menos), tem como principais objetivos: oxidar parte da matéria orgânica presente nos efluentes, removendo certa carga de DQO e reduzindo a concentração de óleos e graxas presentes em despejos industriais;
Liberar íons sulfato, cloreto ou carbonato em solução para promover a formação de sais insolúveis destes ânions, que serão eliminados na etapa de separação, fazendo parte da composição dos resíduos sólidos gerados no tratamento.
Além disso, a etapa de acidificação tem importante função na determinação do pH de entrada do tratamento, geralmente variando entre pH=2,0 e pH=5,5. A determinação do pH de entrada é essencial para as etapas seguintes do processo, pois impacta na dosagem de outros insumos utilizados no tratamento, que deve sempre produzir um efluente tratado mais próximo da neutralidade uma vez que pH’s muito ácidos ou muito básicos podem ser nocivos à microbiota contida nos corpos receptores responsáveis pela depuração da matéria orgânica biodegradável (MATUSAKI, 2018).
2.5.4. Neutralização
A etapa de neutralização tem como intuito neutralizar o potencial ácido resultante da etapa anterior, ajustando o pH do efluente para a faixa ideal de aplicação do coagulante, que será dosado na etapa seguinte.
Dentre os principais agentes neutralizantes utilizados industrialmente destacam-se a cal virgem (CaO), soluções de cal hidratada (Ca(OH)2), barrilha
(Na2CO3) e soluções de soda cáustica (NaOH).
A aplicação de neutralizantes a base de Cálcio tem aplicação mais difundida no mercado de tratamento de efluentes, pelo fato de o cálcio apresentar uma ação secundária na coagulação.
2.5.5. Coagulação
A coagulação é um processo físico-químico de desestabilização eletrostática de particulados coloidais, misturas sólido/líquido com tamanho de partícula entre 0,1 e 1 nm que não podem ser separadas da fase líquida por simples decantação ou flotação, permanecendo suspensos no meio líquido (PAVANELLI, 2001).
Os particulados coloidais presentes em despejos líquidos provenientes de atividades industriais e sanitárias possuem, majoritariamente, carga superficial
negativa (potencial de superfície – Y0) e atraem eletrostaticamente cargas positivas solvatadas em meio ao líquido, gerando uma camada de sobreposição da superfície coloidal de carga positiva, denominada camada de Stern ou camada compacta (potencial de Stern - Yd).
Forças de atração e repulsão eletrostática levam à dispersão de cargas ao redor da camada de Stern, dando origem ao que se denomina camada de Gouy ou camada difusa, composta por cátions, ânions e moléculas de diferentes polaridades. O potencial elétrico diminui desde a superfície da partícula coloidal até o plano de Gouy, tornando-se menor a medida em que se afasta da superfície coloidal. O potencial elétrico diminui de maneira linear entre a superfície do coloide e as cargas positivas que o cercam, sendo denominado Potencial de Nernst, e diminui de maneira exponencial a partir do plano de Stern para além da camada difusa, sendo denominado Potencial Zeta (OLIVEIRA, 2014) (Figura7).
Se o Potencial Zeta for alto as partículas coloidais possuirão alta carga, repelindo-se e garantindo a estabilidade coloidal; se o potencial Zeta estiver mais próximo de zero, o particulado coloidal terá baixa carga e, não havendo estabilidade eletrostática, o movimento browniano do fluido provocará o choque e aglomeração de particulados coloidais, dando origem aos coágulos (PAVANELLI, 2001). O Potencial Zeta é dependente do pH do meio, da espessura da dupla camada elétrica e da força iônica da suspensão (YOKOSAWA, 2001).
Figura 7 - Estrutura da partícula coloidal e potencial Zeta
Fonte: PubliSBQ (2018).
A dosagem de coagulantes no tratamento de aguas residuárias visa reduzir o Potencial Zeta por meio adição de altas cargas iônicas (positivas e negativas). Por esta razão, boa parte dos coagulantes empregados contém cloretos e sulfatos em sua composição e ferro e alumínio, metais que formam sais insolúveis de alta massa molecular.
A adição de coagulante resulta em um aumento do número de íons na camada difusa, diminuindo seu raio e permitindo que forças de Van de Walls
eliminem a estabilização eletrostática, fenômeno conhecido como compressão da camada difusa (FERREIRA, 2012).
Além disso, os cátions adicionados em solução neutralizam a carga superficial negativa dos coloides, formando microflocos (OLIVEIRA, 2014).
A formação Al(OH)3 (no caso de coagulantes que contenham alumínio em sua
composição), compostos que apresentam tamanho de floco maior e sedimentam ou flotam com maior facilidade que coágulos formados por adsorção ou neutralização. Este fenômeno é denominado varredura (OLIVEIRA, 2014).
A etapa de coagulação deve ser feita com mistura rápida (agitação acima de 60 rpm) para promover uma difusão eficiente do coagulante em meio ao efluente, porém, após a formação dos coágulos, a agitação empregada deve ser menos vigorosa, pois uma agitação muito intensa pode fazer com que os flocos formados se desagreguem espontaneamente (CARDOSO, K. C; BERGAMASCO, R; COSSICH, E. S.; MORAES, 2008).
A dosagem de coagulante deve ser determinada de maneira criteriosa - levando em conta fatores como pH e agitação do sistema - pois subdosagens levam a uma coagulação pobre, deixando grande parte do particulado coloidal ainda em suspensão, e sobredosagens fazem com que as partículas neutralizadas voltem a carregar-se, permitindo a estabilização eletrostática coloidal.
Dentre os principais coagulantes industriais, pode-se citar: o sulfato de alumínio, o PAC e o cloreto férrico.
O sulfato de alumínio - Al2(SO4)3 - é o coagulante mais empregado no
tratamento de águas residuárias no Brasil. Baixo custo, relativa eficiência na remoção de DQO e SST, ação clarificante, fácil transporte e fácil armazenamento (CARDOSO, 2008) o tornam bastante competitivo no mercado. Entretanto liberação alumínio em solução é problemática, pois este metal está associado a algumas doenças degenerativas como por exemplo o Mal de Alzheimer (OLIVEIRA, 2014).
O PAC (policloreto de alumínio) é um coagulante de uso bastante difundido no país, principalmente em ETA’s. Possui custo mais elevado, porém é mais eficiente, sendo capaz de coagular em faixas de pH mais largas, apresentando maior remoção de SST e gerando menor quantidade de resíduo contendo alumínio.
O cloreto férrico – FeCl3 – é um coagulante de custo intermediário e relativa
eficiência, apresentando boa remoção de SST e DQO. Vem perdendo um pouco de espaço no mercado nos últimos anos devido ao fato de conferir cor ao efluente quando dosado em excesso e de liberar bastante cloreto em solução, o que eleva muito a condutividade do efluente, diminuindo a vida útil de tubulações, válvulas e outros equipamentos de constituição metálica.
2.5.6. Floculação
Usado erroneamente como um sinônimo da coagulação, o processo de floculação é na realidade uma etapa complementar à coagulação em que os coágulos ainda suspensos no meio líquido aglutinam-se formando flocos, estruturas que possuem tamanho e peso superiores aos coágulos e, portanto, mais passíveis de serem segregadas da fase líquida por decantação ou flotação.
A formação destes flocos pode ocorrer de maneira física, através da agitação lenta (próxima de 15 rpm) em tanques de floculação, ou química, por meio da dosagem de floculantes, em geral polieletrólitos (NOVAIS, 2012). A floculação mais eficiente será atingida através da combinação dos dois métodos: dosagem e um agente floculante sob agitação lenta.
Os polieletrólitos floculantes são lineares, solúveis em água, podem ser aniônicos, catiônicos ou não iônicos e possuem um pH ótimo de aplicação, em geral, próximo da neutralidade. Polieletrólitos catiônicos absorvem colóides ou flocos negativos; polietrólitos aniônicos atraem cargas positivas e substituem os grupos aniônicos em uma partícula coloidal, permitindo a formação de ligações de hidrogênio entre o particulado coloidal e o polímero; e os não iônicos absorvem e formam flocos pela através de ligações de hidrogênio entre as superfícies sólidas e os grupos polares do polímero.
Após as etapas de coagulação/floculação, precedidas das etapas de acidificação e neutralização, os despejos líquidos são então direcionados para as unidades responsáveis por realizar a etapa de separação físico-química dos flocos formados da fase líquida (Figura 7). O processo de separação pode ocorrer por decantação ou flotação, dependendo da densidade do floco formado, da área que se
tem disponível para implementação das unidades de separação e de estratégias industriais relacionadas ao custo de implementação e custo de operação.
Figura 8: Fluxograma do tratamento físico-químico de efluentes tradicional
Fonte: Autor.
2.5.7. Unidades de Separação de clarificado
A última etapa do tratamento físico-químico de efluentes consiste na separação de fases entre os flocos formados e o efluente clarificado, através de decantação ou flotação. A escolha do processo de separação deve levar em conta a densidade do floco formado, a área disponível para construção da unidade de separação e custos operacionais.
A decantação (ou sedimentação) é um fenômeno físico em que particulados em suspensão realizam um movimento descendente em um líquido de menor massa específica por ação exclusiva da gravidade, propiciando a clarificação do líquido (DI BERNARDO; DI BERNARDO; CENTURIONE FILHO, 2002). A separação por decantação deve ser preferida em processos que gerem flocos com densidade maior que a água, o que por si só já favorece a sedimentação. Os decantadores são equipamentos que demandam baixo consumo energético e não recebem dosagem
de insumos, logo apresentam baixo custo operacional, mas necessitam de uma grande área para sua edificação, logo representam um elevado custo de implementação e não são indicados para ETE’s de área reduzida.
O dimensionamento de decantadores deve levar em conta certas taxas de aplicação relacionadas à velocidade de escoamento superficial (Tabela 1):
Tabela 1 - Taxas de aplicação para dimensionamento de decantadores Características do lodo Taxa (m3/m2/d) Decantação primária de esgotos 30 a 60
Lodo Biológico 12 a 24
Coagulação com Al2(SO4)3 18 a 30
Coagulação com Cal 27 a 60
Fonte: CYLM - Assessoria, Consultoria e Projetos Ambientais (2018).
A flotação é o fenômeno físico em que particulados em suspensão realizam um movimento ascendente em um líquido por aderência a microbolhas de ar, que agem reduzindo a massa específica do floco, tornando-a menor do que a massa específica do líquido, permitindo assim sua flotação e a clarificação do efluente (DI BERNARDO, 2002). Deve-se dar preferência à separação por flotação quando o efluente produzido nas etapas anteriores contém flocos de baixa massa específica (não muito superior à da água) ou com alto teor de óleos e graxas, substâncias naturalmente menos densas do que a água. Os flotadores operam através da injeção de microbolhas de ar no sistema, o que acarreta um maior custo energético para a ETE se comparado à operação com decantadores, no entanto apresentam menor custo de implementação e requerem uma área menor.
Atualmente, as ETE’s mais modernas tem sido projetadas com separação por flotação, pois desvios de processo que resultem em baixa remoção de óleos e graxas e de sólidos suspensos, coagulação e floculação pouco eficientes, baixo OD e altas temperaturas podem levar à flotação de lodo, o que é potencialmente problemático no caso de uma unidade de separação por decantação, permitindo que
particulados suspensos sejam liberados junto com o efluente tratado sobrenadante, deteriorando a qualidade do despejo produzido. A separação por flotação elimina este problema, uma vez que o lodo é separado na fase superior (MATUSAKI, 2018)..
2.5.8. Remoção da Umidade do Lodo Físico-químico Gerado
Como mencionado anteriormente, as etapas de separação de sólidos (decantação e flotação) produzem um efluente clarificado e geram lodo, que deve ser tratado e disposto de maneira adequada. O lodo produzido será composto por material inorgânico, compostos orgânicos e ainda microrganismos excedentes caso após o tratamento primário haja uma célula de tratamento bioquímico, como um sistema de lodos ativados (SPERLING, 2016). A composição da parcela inorgânica de lodo é fortemente impactada pelo coagulante utilizado no tratamento físico-químico(F. S. SAMPAIO, 2015), contendo sais insolúveis e parcialmente solúveis de ânions do coagulante (sulfatos, sulfetos, cloretos e carbonatos) e compostos contendo ferro ou alumínio, principais metais utilizados no mercado de coagulantes.
O lodo gerado neste processo deve passar por operações de digestão aeróbica ou anaeróbica, ser descartado em aterro sanitário ou ser reciclado. Lodos provenientes de processos industriais geralmente não passam por reciclagem, pois são gerados em baixo volume e seu processo de reciclagem é relativamente dispendioso, não justificando o investimento, sendo comumente desidratados na própria ETE e encaminhado a aterros industriais próximos.
A digestão do lodo deve ocorrer para diminuir o teor de matéria orgânica presente no lodo, cuja decomposição em aterros levaria a formação de metano.
A desidratação do lodo é feita por dois motivos principais: a redução do volume de lodo gerado, o que significa uma maior vida útil das células dos aterros; e a redução do volume de efluente gerado nos aterros, diminuindo a probabilidade de contaminação do solo.
Dentre as principais tecnologias empregadas no desaguamento de lodo destacam-se: as centrífugas, os filtros prensa, os filtros Belt-Press, Leitos de secagem e tubos de geotecido (F. S. SAMPAIO, 2015). Estes dois últimos com aplicação mais reduzida, por se tratarem de tecnologias ultrapassadas. Os filtros são
utilizados para desaguamento de volumes de lodo maiores e as centrífugas para volumes de lodo menores.
2.6. Planejamento Experimental
Técnicas de planejamento experimental (ou Design of experiments) vêm sendo amplamente utilizadas ao longo dos últimos anos com a finalidade de otimizar produtos e processos, diminuindo os esforços experimentais, minimizando custos, reduzindo o tempo de análise e consequentemente aumentando a produtividade e melhorando a qualidade dos produtos (RODRIGUES, M. I.; IEMMA, 2005).
O desenvolvimento de processos e produtos através de procedimentos de tentativa e erro foi de extrema importância no passado, porém atualmente devido à forte competitividade, ao grau de desenvolvimento das indústrias e à difusão da tecnologia, este tipo de abordagem empírica vem sendo deixada de lado, cedendo lugar a métodos de planejamento experimental.
Figura 9 - Número de artigos científicos publicados empregando DOE ao longo dos anos.
Fonte: FSTA Database (2005).
0 100 200 300 400 500 600 70-75 76-80 81-85 86-90 91-95 96-00 01-05 N ú m e ro d e ar ti g o s p u b li cad o s Período
O gráfico mostra a crescente aplicação de métodos de planejamento experimental ao longo dos últimos anos, dentre os quais pode-se destacar o método de planejamento fatorial.
2.6.1. Planejamento Experimental do tipo Fatorial
O planejamento fatorial objetiva a identificação de fatores, ou variáveis de controle, que exercem influência sobre um determinado evento experimental, cujos efeitos podem ser mensurados através de análises em variáveis de resposta previamente estipuladas. A determinação das variáveis de controle deve envolver um estudo prévio detalhado por parte do pesquisador para evitar a incorrência em erros antes mesmo da etapa experimental ser iniciada, o que comprometeria todo o processo analítico. A escolha da quantidade de fatores também é de suma importância, pois impactará na composição da matriz experimental e no número de ensaios a serem realizados.
Sendo K o número de fatores e N o número de níveis, tem-se:
º =
Objetivando reduzir grande volume de ensaios e otimizar o esforço experimental, podem ser adotados fatoriais 2k, com mais 3 ensaios no ponto central, configuração que fornece resultados estatísticos de maneira mais rápida e com confiabilidade igualmente elevada.
Determinado o modelo fatorial que será utilizado, as variáveis de controle e as variáveis resposta, pode ser montado um planejamento exploratório contendo todas as possíveis combinações dos fatores determinados e seus respectivos níveis em um quadro, essencial para a montagem de matriz experimental (Quadro 1).
Quadro 1 - Níveis das variáveis de controle Fatores Níveis -1 0 1 Fator 1 (A) a-1 a0 a1 Fator 2 (B) b-1 b0 b1 Fator 3 (C) c-1 c0 c1 Fonte: Autor.
Uma vez montado o quadro, pode-se construir a matriz experimental contemplando todas as possíveis combinações dos fatores e seus níveis e os resultados obtidos para cada uma das variáveis resposta definidas.
É possível também propor um modelo matemático através de um delineamento composto central rotacional (DCCR) que, após validação estatística, pode ser utilizado para encontrar uma superfície de resposta, apontando a combinação de variáveis de controle capaz de gerar a resposta mais eficaz.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho oferece uma abordagem quantitativa, utilizando dados experimentais obtidos de Fichas de Informação de Segurança para Produto Químico (FISPQ’s) de fornecedores das soluções de sulfato de alumínio 7% e PAC 18% e da ficha técnica fornecida pelo Laboratório de Meio Ambiente, responsável pela produção da solução de cloreto férrico 10%.
As atividades experimentais aqui descritas foram desenvolvidas no laboratório de uma estação de tratamento de efluentes de uma empresa situada no Vale do Paraíba.
3.1. Material Utilizado
Os equipamentos e instrumentos utilizados na realização do procedimento experimental foram:
• 1 Coletor de amostra metálico; • 4 Bombonas plásticas de 20,0 L; • 1 Refrigerador de amostras Ethik; • 36 Frascos plásticos de 1,0 l; • 1 Proveta de plástico de 1000 mL;
• 1 Equipamento Jartest Ethik equipado com 6 jarros acrílicos e 6 agitadores axiais metálicos;
• 1 Pipeta graduada de 5,0 mL; • 1 Micropipeta de volume variável;
• 1 pHmetro de bancada Mettler e Toledo; • 1 Pipetador de borracha de 3 vias;
• 1 Frasco plástico de 1,0 l contendo solução de HCl 10%; • 1 Frasco plástico de 1,0 l contendo solução de NaOH 10%.
3.2. Procedimento Experimental
Neste estudo foram adotados como variáveis resposta SST, COT e turbidez. Estes parâmetros foram analisados pelo laboratório central de controle de qualidade,
especializado em análises físico-químicas, cabendo aqui, portanto, um detalhamento do ensaio de coagulação/floculação realizado. Segue abaixo a descrição do procedimento experimental.
3.2.1. Amostragem e Preservação
Com auxílio do coletor de amostras metálico, foram coletados oitenta litros de efluente na saída do tanque de neutralização (etapa anterior à coagulação no tratamento físico-químico de efluentes) e transferidos às bombonas plásticas de vinte litros, que foram então levadas ao laboratório da estação de tratamento de efluentes, onde foram preservadas em refrigerador a 4ºC.
3.2.2. Descrição do Ensaio Experimental Realizado:
Com auxílio da proveta de 1000 mL, foram transferidos 2,0 l do efluente neutralizadocontido na bombona de 20,0 l para cada um dos seis jarros acrílicos do
Jartest. Em seguida, os agitadores axiais metálicos do Jartest foram mergulhados
nos jarros contendo efluente, o Set Point de rotação foi estabelecido em 60 rpm e a agitação foi iniciada.
O pH do efluente contido nos recipientes foi medido e registrado com a utilização de pHmetro de bancada antes da adição de qualquer produto.
Posteriormente, utilizando a micropipeta de volume variável, foram dosadas alíquotas sucessivas de 0,1 mL da solução de HCl 10%, seguidas de medições de pH, com o objetivo de ajustar o pH do meio reacional para 5,0 em algumas amostras. Ainda com auxílio da micropipeta de volume variável, foram dosadas alíquotas sucessivas de 0,1 mL de solução de NaOH 10%, seguidas de medições de pH, com o objetivo de ajustar o pH do meio reacional para 10,0 em outras amostras. Desta maneira, obtemos amostras com pH = 5,0 (-1), pH=7,5 (ponto central, pH de saída do tanque de neutralização) e pH =10,0 (+1).
Após o ajuste de pH das amostras, fazendo uso da pipeta graduada de 5,0 mL e do pipetador de borracha de três vias, foram dosadas alíquotas da solução de coagulante que resultaram em concentração de coagulante por litro de efluente de 100 mg/L (-1), 350 mg/L (0, ponto central) e 600 mg/L (+1). Logo após a dosagem
das alíquotas da solução de coagulante, foi feita medição de pH em todas as amostras ensaiadas. A agitação de 60 rpm (mistura rápida) foi mantida por 30 minutos, mesmo tempo de residência do efluente nos tanques de coagulação industriais para a vazão média de operação da ETE.
Após 30 minutos, o Set Point de agitação foi ajustado para 15 rpm (mistura lenta), rotação comumente adotada em tanques de floculação, etapa em que se adota uma agitação menos vigorosa para impedir a desestabilização dos coágulos formados na etapa anterior. Em seguida, com auxílio da pipeta graduada e do pipetador de borracha de três vias, foram dosadas alíquotas do polímero floculante (poliamida) que resultaram em concentrações de floculante por litro de efluente de 100 mg/L (-1), 300 mg/L (0, ponto central) e 500 mg/L (+1). A agitação de 15 rpm também foi mantida por 30 minutos, pois o tanque de floculação da ETE possui as mesmas dimensões do anterior e recebe efluente à mesma vazão, logo opera com mesmo tempo de residência.
Em seguida, as amostras ensaiadas foram deixadas em repouso por uma hora, período suficiente para que os flocos formados em suspensão contidos no efluente decantassem, promovendo uma separação de fases. A fase sobrenadante, ou clarificado da decantação, foi então coletada pelo dreno dos jarros acrílicos em frascos plásticos de 1,0 l, que foram lacrados, identificados e enviados ao Laboratório Central de Controle de Qualidade para análise de DQO, SST, COT, Cor e Turbidez. O precipitado (lodo inorgânico) foi descartado.
Os resultados dos parâmetros estipulados como variáveis reposta deste estudo foram então divulgados pelo Laboratório Central de Controle de Qualidade e utilizados para composição da tabela do planejamento exploratório.
3.3. Metodologia de Planejamento Experimental
Como mencionado anteriormente, o procedimento experimental descrito no item acima foi desenvolvido com base na metodologia de planejamento fatorial 2k completo com mais três experimentos no ponto central, utilizando três fatores (k=3): concentração de coagulante (A), pH (B) e concentração de floculante (C). Assim sendo, o número de ensaios, por coagulante testado, é dado por:
ú . = 2 + 3 ú . = 2#+ 3
ú . = 11
Foram realizados no total trinta e três experimentos, onze para cada coagulante, e foram adotadas como variáveis resposta: DQO, SST, COT, Cor e Turbidez.
Segue abaixo tabela dos níveis das variáveis de controle (Tabela 2).
Tabela 2 - Níveis das variáveis de controle definidas
Fatores Níveis -1 0 1 Concentração de Coagulante (mg/L) (A) 100 350 600 pH (B) 5,0 7,5 10,0 Concentração de Floculante (mg/L) (C) 100 300 500 Fonte: Autor.
Os níveis das variáveis de controle e suas condições de utilização foram determinados com base em pesquisas bibliográficas, histórico de dosagem de insumos por volume de efluente tratado e conhecimento prático adquirido em rotina operacional.
Uma vez elaborada a tabela dos níveis das variáveis de controle, constrói-se a matriz experimental:
Quadro 2 - Matriz experimental do método fatorial completo Ensaio A B C 1 -1 -1 -1 2 +1 -1 -1 3 -1 +1 -1 4 +1 +1 -1 5 -1 -1 +1 6 +1 -1 +1 7 -1 +1 +1 8 +1 +1 +1 9 0 0 0 10 0 0 0 11 0 0 0 Fonte: Autor.
Esta matriz experimental do fatorial completo 23 com mais três ensaios no
ponto central foi aplicada nos testes realizados com os três coagulantes analisados neste estudo, isto é, os ensaios realizados com cada um dos coagulantes industriais mencionados neste estudo obedeceram a sistemática experimental determinada por esta matriz.
Após a realização do procedimento experimental descrito, foi elaborada uma tabela contendo os fatores e resultados das variáveis resposta definidas para este estudo.
Os resultados obtidos através da realização do procedimento experimental descrito foram inseridos no software de análise estatística Minitab para realização de um DOE. Foram elaborados de diagramas de Pareto e gráficos de Efeito e de
