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3- Processos de Tratamento de Águas de Abastecimento
Fluxograma do Tratamento Convencional da Água para Fins de Potabilização Oxidante
PRECIPITAÇÃO/PRÉ-OXIDAÇÃO
MISTURA RÁPIDA
TRATAMENTO BIOLÓGICO
Coagulante/Floculante
FLOCULAÇÃO
FLOTAÇÃO
OUTROS PROCESSOS DE TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO Adsorção Troca iônica Eletrólise Eletrodiálise Separação por membranas Oxidação avançada
DECANTAÇÃO
Oxidante Auxiliar de filtração
FILTRAÇÃO
DESINFECÇÃO
FLUORETAÇÃO
CORREÇÃO DE pH
ÁGUA TRATADA
Desinfetante
Flúor
Correção e ajuste de pH
Estação de Tratamento de Água (ETA)
Valores típicos de DBO e DQO (mgO2/L) de diversos efluentes industriais. Principais Poluentes
DBO5
DQO
Sólidos em suspensão e proteínas
2.600
4.150
Cervejarias
Carboidratos e proteínas
550
850
Destilarias
Sólidos em suspensão, proteínas e carboidratos
7.000
10.000
Lavanderias
Sólidos em suspensão, proteínas e carboidratos
1.600
2.700
Refinarias
Fenol, hidrocarbonetos e compostos sulfurosos
840
1.500
Amido
Sólidos em suspensão, proteínas e carboidratos
12.000
17.150
Indústria
Abatedouros
Coagulação e Floculação Potencial Zeta: é uma função da carga da camada difusa (por unidade de superfície do colóide) e a extensão da mesma. Esta é a força que deve ser vencida para aproximar duas partículas. Mecanismos de Coagulação: a) • • •
Compressão da Camada Difusa: Interação entre as camadas difusas; Atração - força de van der Waals; Repulsão – força da dupla camada elétrica (DCE).
b) Adsorção e neutralização de carga: • Estequiometria da reação (Colóides x [Coag.]). c) Varredura: • Formação de Hidróxidos [Fe(OH)3 ; Al(OH)3] d) Adsorção e formação de pontes: • Utilização de Coadjuvantes de Coagulação ou Floculantes (Polímeros).
Partícula Coloidal e a Dupla Camada Elétrica (DCE)
Coagulação MECANISMOS PARA AUMENTAR A EFICIÊNCIA DAS COLISÕES: • Contato por movimento térmico, ou movimento Browniano; • Contato por movimento do volume do fluido, ou agitação; • Contato resultante da sedimentação diferencial.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA COAGULAÇÃO • Efeitos do pH • Natureza da Turbidez • Temperatura da Água • Efeitos da Agitação • Efeitos da Dosagem do Coagulante
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Coagulantes • São substâncias que sob hidrólise, e em determinados valores de pH, são capazes de gerar óxidos de sais de Al ou Fe, destacando-se: ÁCIDOS
Al2(SO4)3 + 6 H2O 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 (↓pH) Fe2(SO4)3 + 6 H2O 2 Fe(OH)3 + 3 H2SO4 (↓pH) FeSO4
+ 2 H2O Fe(OH)2
+ H2SO4
(↓pH)
FeCl3
+ 3 H2O Fe(OH)3
+ 3 HCl
(↓pH)
+ 2 H2O Al(OH)3
+ NaOH
(↑pH)
ALCALINOS
NaAlO2
Simulação da Coagulação/Floculação
Fonte: KURITA – Engenharia e Tratamento de Águas
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Coagulantes • Sais de Fe são líquidos ácidos e de alta corrosividade (Nunez, 1999); • Corrosividade:
FeCl3 > Fe2(SO4)3 > FeSO4
Tabela: Alguns dos principais coagulantes e intervalos de pH ótimo. Coagulante Sulfato de Alumínio (Alúmen) Sulfato Ferroso Clorado
Faixa de pH 5,0 a 8,0 > 4,0
Sulfato Ferroso
8,5 a 11,0
Sulfato Férrico
4,0 a 11,0
Cloreto Férrico
4,0 a 11,0
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Floculantes (Coadjuvantes de coagulação) • Otimizam a formação de pontes entre as partículas; • Produzem flocos maiores e mais fortes; • São, em sua maioria, polímeros sintéticos solúveis em água; • Poliacrilamidas (PAM) de alto peso molecular: ↑ eficiência;
Estrutura dos meros de acrilamida que formam a PAM, segundo ENTRY et al. (2002).
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Floculantes (Coadjuvantes de coagulação) Ou material coloidal formado durante o fenômeno da coagulaçao
Sedimentação: Dispensa aeração, apenas sofre ação da força da gravidade Flotação:
Aglomeração de partículas pelo polímero dando origem aos grandes flocos. (de Sena, 2005).
Incorporação de Bolhas de Ar durante a floculação
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Mecanismos de Floculação: “A floculação é o processo de agregação entre as partículas dos microflocos a formarem grandes aglomerados por interação física ou através de floculantes”. Imagens obtidas com o auxílio de um microscópio óptico (20x)
Figura 1: Efluente de uma indústria de alimentos (in natura).
Figura 2: Adição de coagulante (FeCl3).
Figura 3: Adição de floculante (polímero) (PAM aniônica).
Teste de jarros
Teste de jarros
• Ensaios de Jar Test: Sulfato de Alumínio [ Al2(SO4)3 ]
Decantação
A sedimentação pode ser classificada como: Quanto ao processo 1. sedimentação em batelada ou descontínua 2. sedimentação contínua 1. 2.
1. 2.
1. 2.
Quanto a finalidade clarificadores: quando a fase que interessa é o líquido espessadores: quando a fase que interessa é a lama Quanto a concentração da suspensão sedimentação livre: para baixas concentrações de sólidos sedimentação retardada ou obstada: para altas concentrações de sólidos Quanto ao uso do coadjuvantes sedimentação natural: quando não se faz uso de substâncias floculantes sedimentação forçada: quando se faz uso de substâncias floculantes para aumentar a velocidade de sedimentação
Decantação Tipo de decantação
Z
discreta
Zona de sedimentação Zona mista
Z Zona de compressão
t
Tipos de Decantação
Floculenta Zonal Compressão
Velocidade de Decantação
Redemoinhos, que prejudicam a queda da própria partícula e das subseqüentes.
Velocidade de Decantação Força de arraste
Fa = 3.π.Dp.v.µ =0 P = Fa + E ∑ Fy
y
Empuxo Peso
P = m p . g = ρ p .V p . g
Condição para haver decantação: x
E = Vp.ρ.g
P > Fa + E
Velocidade de Decantação Força de arraste
P = Fa + E
Empuxo Peso
(π/6).Dp³. ρs.g = 3 π.Dp.v.µ + (π/6).Dp³.ρ.g
v =
Dp².( ρs - ρ).g 18.µ
Lei de Stockes !
Decantação/Sedimentação • Carvão Ativado: Para controle de gostos e odores • Sulfato de Alumínio [ Al2(SO4)3 ]: responsável pela coagulação • Polímero Sintético: auxilia a coagulação • Decantador: Tanque onde os flocos maiores e mais pesados vão ao fundo pela ação da gravidade • Filtro: formado por camadas de areia e pedras, onde são retidos substância químicas, microrganismos entre outras partículas
Fonte: SAE Ituiutaba
Decantador
Decantação
Decantação
LODO
HIDROCICLONE
LODO COM MICROAREIA PARA HIDROCICLONE
POLIMERO MICRO-AREIA
AGUA
CLARIFICADA
COAGULANTE
ÁGUA
BRUTA DOSAGEM COAGULAÇÃO
MATURAÇÃO DECANTADOR COM RASPADOR
Flotação
Existe três formas de operação destes sistemas: DAF - Injeção de ar em um líquido pressurizado, seguido de uma despressurização repentina (flotação por ar dissolvido - FAD); Aeração por pressão atmosférica (flotação por ar); Saturação do líquido com ar a pressão atmosférica , seguido da aplicação de vácuo na câmara de flotação (flotação a vácuo).
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Flotação rc
• Processo de separação de partículas via adesão de bolhas; • Alta eficiência de remoção de sólidos; • Baixa geração de lodo; • Principal desvantagem: maior gasto energético.
dp
db
• Bolhas: 150-300µm • Microbolhas: 30-100µm Figura: Fenômeno de ‘captura’ de partículas.
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Microfenômenos da Flotação [Rubio et al. (2002)]
1 – COLISÃO E ADESÃO
2 – FORMAÇÃO DE BOLHAS NA SUPERFÍCIE DAS PARTÍCULAS
θ
θ
Colisão bolha – partícula
Adesão e formação do ângulo de contato
3 – APRISIONAMENTO DE BOLHAS EM FLOCOS
Formação do núcleo
Crescimento da bolha
Formação do ângulo de contato
4 – CAPTURA OU ARRASTE DE S ÓLIDOS POR B OLHAS
Coagulação.
Floculação.
Flotação.
Remoções: - 92% Sólidos - 84% DQO
Flotação por ar Dissolvido - DAF Microbolhas
Flotação por Ar Dissolvido
Flotador DAF
Flotador DAF
Filtração
CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS FILTROS De acordo com o tipo de material filtrante: Areia, carvão, antracito, terra diatomácea, brita, etc. De acordo com a disposição do material do meio filtrante no leito: Superposição das camadas do meio filtrante De acordo com o sentido de escoamento da água: Ascendente, descendente ou nos dois sentidos De acordo com a velocidade de filtração: Lentos, rápidos ou de taxas elevadas De acordo com a pressão existente: Por gravidade ou sob pressão Filtro lento (baixa taxa de filtração) •camada de 0,9 a 1,5 m de espessura •areia de ~0,35 mm de diâmetro •lamina de água de 0,9 a 1,5 m •usado sem necessidade de pré-tratamento •remove a maioria dos sólidos exceto argila e colóides •reduz 98 a 99% das bactérias •taxa de aplicação: Q < 6 m3/m2 dia
Filtro rápido (alta taxa de filtração) •camada de 0,46 a 0,76 m de espessura •areia de ~0,55 mm de diâmetro •podem ser operados abertos para a atmosfera (gravitacional) ou em tanques fechados (pressurizados) •se usado após coagulação e floculação, apresenta eficiência de remoção de partículas e de bactérias igual ou superior ao de baixa filtração •taxa de aplicação: Q = 120 a 360 m3/m2 dia (camada simples) •Q = 240 a 480 m3/m2 dia (camada dupla)
Filtração (Filtro Lento) Pressão Atmosférica
Areia
Água Filtrada
Cascalho
Dreno Perfurado
Água (Efluente) Alimentação
Filtração (Filtro Lento)
Água do Tanque de Decantação Alimentação
Sist. Drenagem
Antracito (Carvão)
Areia
Pedras ou Compósitos
Água Tratada
Filtração (Filtro Rápido)
Filtração
MECANISMOS DE FILTRAÇÃO O mecanismo de remoção de sólidos em suspensão por filtração é bastante complexo. Vai depender das características físicas e químicas da suspensão e do meio, da taxa de filtração e das características químicas da água sólidos maiores são removidos por forças intersticiais sólidos menores são removidos por dois mecanismos: transporte (sedimentação, difusão, intercessão e hidrodinâmica) e por fixação (interações eletrostáticas, ligações químicas e adsorção)
MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO filtração à pressão constante filtração à vazão constante filtração à queda variável de vazão
Filtração
Desinfecção CONSIDERAÇÕES SOBRE AS PROPRIEDADES DOS DESINFETANTES Devem destruir das classes de patogênicos o maior número possível de organismos e garantir um período longo de resistência a mudanças de temperatura e a possíveis contaminações após tratamento; Nas condições requeridas, não devem ser tóxicos ao homem ou a animais domésticos, nem causar sabor desagradável a água ou torná-la indesejável por alguma razão; Devem ser um produto barato e abundante, além de ser seguro e fácil de armazenar, transportar, manipular e aplicar; Sua concentração em água deve ser de fácil determinação; Devem persistir em água desinfetada na concentração suficiente para proporcionar uma proteção AGENTES OXIDANTES QUÍMICOS Halogênios: cloro, bromo, flúor e iodo (e seus derivados) Ozônio: muito pouco usado pelo alto custo Permanganato de potássio: custo elevado Peróxido de hidrogênio; Íons metálicos: prata Álcali e ácidos.
Desinfecção FATORES QUE GOVERNAM A DESINFECÇÃO QUÍMICA Natureza dos organismos que se quer destruir, bem como sua concentração; Natureza e concentração do reagente desinfetante e os produtos de reação; Natureza e condições da água a se desinfetar; Da temperatura da água; Do tempo de contato.
Ordem de efetividade do desinfetante: O3 > HOCl > ClO2 > OCl- > NH2Cl Ordem de resistência do microrganismo: Cysts > vírus > bactéria
Desinfecção CINÉTICA DA DESINFECÇÃO A efetividade de um desinfetante é determinada por ensaios de laboratório, com o intuito de obter curvas C x T. para cada microrganismo patogênico. dN/dt = - kN
⇒ ln (N/N0) = -kt
∴
Onde: N – concentração de microrganismos t – tempo de contato k – constante que depende do desinfetante λ – coeficiente de letabilidade específica C – concentração do desinfetante n – coeficiente de diluição (geralmente = 1)
ln (N/N0) = -kt
⇒
log (N/N0) = - k t 2,3
k = λCn
Desinfecção
log (N/N0)
0 -1 -2 -3 -4
Cn t(% morte) = K(% morte)
tempo
N/N0 (fração remanescente)
-log N / N0 (redução logarítimica)
% Morte (% de inativação)
0,1
1
90
0,01
2
99
0,001
3
99.9
0,0001
4
99.99
Desinfecção
Desinfecção
Desinfecção Valores de Ct para Inativação de Esporos de Giárdia pelo Ozônio a pH 6-9
Temperatura Inativaçã o (log)
0.5
5
10
15
20
25
0,5
0,48
0,32
0,23
0,16
0,12
0,08
1
0,97
0,63
0,48
0,32
0,24
0,16
1,5
1,5
0,95
0,72
0,48
0,36
0,24
2
1,9
1,3
0,95
0,63
0,48
0,32
2,5
2,4
1,6
1,2
0,79
0,60
0,40
3
2,9
1,9
1,4
0,95
0,72
0,48
Desinfecção
Valores de Ct99 para destruição de classes de microrganismos para vpários desinfetantes
Agente desinfetante Microrganismo
HOCl
OCl-
NH2Cl
O3
ClO2
HOBr
E. coli
0,02
1,0
50
0,005
0,2
0,5
Polivirus 1
1,0
10
500
0,005
1,5
0,06
Entamoeba histolytica
20
8000
150
2
5
40
Desinfecção Não se dispondo de dados sobre a demanda de cloro da água a ser desinfectada, recomenda-se iniciar a aplicação com a dosagem de 1 mg/L de cloro. Iniciada a desinfecção, deverão ser coletadas amostras de água nos extremos da rede de distribuição, a fim de conhecer o pH da água. De posse deste parâmetro e utilizando-se a Tabela, a seguir determina-se qual a concentração recomendada de cloro residual livre ou combinado a ser obtido na água após o tempo de contato indicado. pH
Cloro livre em mg/L após 10 minutos
Cloro combinado em mg/L Após 60 minutos
6a7
0,2
1,0
7a8
0,2
1,5
8a9
0,4
1,8
9 a 10
0,8
1,8 a 2,0
Fluoretação LIMITES RECOMENDADOS PARA A CONCENTRAÇÃO DE ION FLUORETO SEGUNDO AS NORMAS DE ÁGUA POTÁVEL DO SERIÇO DE SAÚDE PÚBLICA DOS ESTADOS UNIDOS Média anual das temperaturas máximas diárias do ar (oC)
10,0 a 12,1 12,2 a 14,6 14,7 a 17,7 17,8 a 21,4 21,5 a 26,3 26,4 a 32,5
Limites recomendados para a concentração do íon fluoreto (mg/l) Inferior
Ótimo
Superior
0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6
1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7
1,7 1,5 1,3 1,2 1,0 0,8
Adsorção
A adsorção aplica-se à transferência física de um soluto, num gás ou num líquido, para uma superfície sólida, onde ele fica retido em conseqüência de interações microscópicas com as partículas constitutivas do sólido. O soluto não se dissolve no sólido, mas permanece na superfície do sólido ou nos poros do sólido.
O processo de adsorção é muitas vezes reversível, de modo que a modificação
da pressão, ou de temperatura pode provocar a fácil remoção do soluto adsorvido no sólido. No equilíbrio, o soluto adsorvido tem uma pressão parcial igual à existente na fase fluida em contato, e pela simples modificação da temperatura, ou da pressão de operação, o soluto pode ser removido do sólido.
A adsorção é um fenômeno físico que depende, em boa medida, da área superficial e do volume dos poros. A estrutura dos poros limita as dimensões das moléculas que podem ser adsorvidas, e a área superficial limita a quantidade de material que pode ser adsorvido.
Adsorção
Adsorção
Adsorção É importante a escolha dos adsorventes. Os sólidos devem ter características de pequena queda de pressão e boa resistência mecânica para suportar o manuseio. Além disso os adsorventes são seletivos quanto à capacidade de adsoverem solutos específicos. Por isso, a natureza do sólido deve ser cuidadosamente ponderada para que se tenha a segurança de um desempenho satisfatório. Os adsorventes comerciais incluem a bentonita, a bauxita, a alumina, o carvão de ossos, a terra fuller, o carvão ativo e a sílica gel. Os principais equipamentos utilizados na adsorção são colunas empacotadas, onde percola-se o efluente a ser tratado. Assim que as características do efluente atingirem uma concentração final superior à aquela estipulada, para-se o processo para proceder-se a regeneração da mesma.
Adsorção
Determina-se experimentalmente a capacidade de adsorção de um adsorvente frente a um adsorbato pela construção de isotermas de Lamgmuir e de Freudlich.
Quantidade de substância adsorvida por grama de sólido
Adsorção Regeneração
Troca Iônica
Troca Iônica
1. Trocadores de cátions fortemente acídicos: Forma com hidrogênio (regenera com HCl ou H2SO4)
Forma com sódio (regenera com NaCl)
2R-SO3H + Ca2+ ↔ (R-SO3)2Ca + 2H+
22R-SO3Na + Ca2+ ↔ (R-SO3)2Ca + 2Na+
2. Trocadores de cátions fracamente acídicos: Forma com hidrogênio (regenera com HCl ou H2SO4)
Forma com sódio (regenera com NaCl)
2R-COOH + Ca2+ ↔ (R-COO)2Ca + 2H+
2R-COONa + Ca2+ ↔ (R-COO)2Ca + 2Na+
3. Trocadores de anions fortemente básicos: Forma com hidróxido (regenera com NaOH) 2R-R’3NOH + SO422OH-
Forma com clorêto (regenera com NaCl) ↔
(R-R’3N)2SO4 +
2R-R’3NCl + SO42- ↔ (R-R’3N)2SO4 + 2Cl-
4. Trocadores de anions fracamente básicos: Forma com hdróxido (regenera com NaOH)
Forma com Clorêto (regenera com NaCl)
2R-NH3OH + SO42- ↔ (R-NH3)2SO4 + 2OH-
2R-NH3Cl + SO42- ↔ (R-NH3)2SO4 + 2Cl-
Troca Iônica Resina de troca iônica
Troca Iônica
Separação por membranas
Separação por membranas
Separação por membranas
Eletro Diálise
