ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA TURBIDEZ E COR DECLINANTES SOBRE A COAGULAÇÃO DE ÁGUA DE ABASTECIMENTO NO MECANISMO DE ADSORÇÃO- NEUTRALIZAÇÃO DE CARGAS - PDF
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Ágata Filipe Henriques
1 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA TURBIDEZ E COR DECLINANTES SOBRE A COAGULAÇÃO DE ÁGUA DE ABASTECIMENTO NO MECANISMO DE ADSORÇÃO- NEUTRALIZAÇÃO DE CARGAS Emília Akemi Kowata *, José Tarcísio Ribeiro **, Dirceu D Alkimin Telles *** Resumo Este trabalho tem como objetivo avaliar a remoção de cor aparente e turbidez da água dos reservatórios do Laboratório de Hidráulica da FATEC-SP, através de um filtro rápido de areia com fluxo ascendente e taxa constante. O laboratório conta com diversas bancadas para fins didáticos (constituídas de material transparente) e uma bancada para levantamento de curvas de calibração de medidores de vazão. A água utilizada nas aulas práticas, assim como nos ensaios de prestação de serviços a terceiros, percorre um circuito fechado, constituído de tubulações, canaletas de concreto, reservatório enterrado e um reservatório elevado, provocando, no decorrer do tempo, o aumento da turbidez e cor aparente e, conseqüentemente, acarretando danos às instalações didáticas do laboratório. O volume deste sistema é mantido constante através de uma alimentação com água proveniente da rede pública de abastecimento. O efluente do filtro é retornado para o reservatório subterrâneo, provocando a diluição da turbidez e cor da água bruta. Este trabalho experimental possibilitou o estudo da influência do declínio progressivo da turbidez e cor aparente sobre a coagulação, no mecanismo de adsorçãoneutralização de cargas, assim como também, foi possível avaliar seu comportamento, delineando sua aplicabilidade e limitações no atendimento da atual norma de potabilidade Portaria 36/90. Introdução A filtração consiste na remoção de partículas suspensas e coloidais e de microrganismos presentes na água, que escoa através de um meio poroso usualmente uma camada de areia. Em geral, a filtração é o processo final de remoção de impurezas realizado em uma Estação de Tratamento de Água e, portanto, principal responsável pela produção de água com qualidade condizente com o Padrão de Potabilidade. A descrição quantitativa da filtração envolve formulações matemáticas dos mecanismos responsáveis pela retenção das partículas no meio filtrante; tais modelos têm sido aplicados com pouco sucesso na previsão do comportamento da filtração, razão pela qual, até o presente, faz-se necessária a combinação da teoria com os resultados de pesquisas para o projeto e operação dos filtros de uma estação. Após um certo tempo de funcionamento, há a necessidade da lavagem do filtro, geralmente realizada por meio da introdução de água no sentido ascensional com velocidade relativamente alta para promover a fluidificação parcial do meio granular com liberação das impurezas. É feita a seguir uma abordagem suscinta, dos mecanismos de funcionamento de um filtro rápido para que se possa compreender melhor o desenvolvimento do trabalho e suas conclusões. Não obstante os avanços alcançados na filtração direta ascendente, essa tecnologia de tratamento não é recomendável para o tratamento de águas que apresentam variação repentina de qualidade. Quando as variações de turbidez não são muito acentuadas e os filtros encontram-se em funcionamento já a algumas horas, os mesmo têm condições de absorver quantidade maior de partículas até que a correção da dosagem do coagulante seja efetuada, desde que o tempo decorrido não supere ao limite de a 15 minutos aproximadamente. A coagulação depende fundamentalmente das características da água e das impurezas presentes conhecidas através de parâmetros como ph, alcalinidade, cor verdadeira, turbidez, temperatura, mobilidade eletroforética, força iônica, sólidos totais dissolvidos, tamanho e distribuição de tamanhos das partículas em estado coloidal e em suspensão, etc. Para se ter idéia da importância da qualidade da água bruta, seja, por exemplo, água com cor e turbidez relativamente baixas e temperatura superior a 15ºC. Sem levar em conta os demais parâmetros de qualidade, águas dessa natureza são candidatas, em potencial, ao uso da filtração direta, não havendo, na maioria dos casos, necessidade da floculação e da sedimentação. Por outro lado, quase sempre, águas com cor verdadeira, turbidez ou número de algas relativamente elevados, requerem tratamento completo. Também, águas com temperaturas geralmente baixas ( ºC) podem exigir uso de um coagulante que não seja o sulfato de alumínio, como um polímero catiônico e, eventualmente, um sal de ferro. Evidentemente que, quanto maior a turbidez ou a cor verdadeira da água bruta, maior será a * Aluna do curso Construção Civil - Obras Hidráulicas da FATEC-SP e Bolsista de Iniciação Científica pela FAPESP ** Professor Pleno do Departamento de Hidráulica da FATEC-SP Mestre em Engenharia Civil/Saneamento pela UNICAMP Doutorando em Engenharia Civil/Saneamento e Ambiente pela UNICAMP *** Professor Pleno do Departamento de Hidráulica da FATEC-SP Mestre em Engenharia Hidráulica pela Universidade de São Paulo Escola Politécnica Doutor em Engenharia Hidráulica pela Universidade de São Paulo Escola Politécnica
2 dosagem de coagulante e, portanto, mais acentuada a taxa de crescimento de perda de carga e, conseguentemente, menor será a duração da carreira de filtração. Como visto anteriormente, a operação com execução de descargas de fundo intermediárias permite que a água bruta se apresente com qualidade pior que aquela preconizada anteriormente, porém tanto turbidez quanto cor verdadeira não devem ser superiores a 0 unidades. Turbidez A turbidez da água é devida à matéria em suspensão, como argila, silte, substâncias orgânicas finamente divididas, organismos microscópicos e partículas similares, alterando a penetração da luz através da difusão e absorção, dando à água uma aparência turva, esteticamente indesejável e potencialmente perigosa. O material em suspensão permite que ocorram áreas em que eventuais microorganismos patogênicos presentes não entrem em contato com a substância desinfectante. A medida de turbidez se baseia numa comparação entre a interferência à passagem de raios luminosos através da amostra e através de suspensões adotadas como padrões de medida. A unidade de turbidez é ut, ou seja, unidade de Turbidez, seja em unidade de Jackson ou nefelométrica. No Brasil, o valor máximo permissível de turbidez para a água entrando no sistema de distribuição é de 1 ut. Um valor de até 5 ut é permitido em pontos da rede de distrbuição, se ficar demonstrado que a desinfecção não está comprometida pelo uso desse valor menos exigente (Portaria N.º 36/GM de 19/01/90). Cor parente e Cor Verdadeira A cor da água é normalmente devido a ácidos húmicos e tanino, originados da decomposição orgânica. Os compostos orgânicos naturais nas águas são oriundos da degradação de plantas e animais e são denominados substâncias húmicas. Além disso, pode-se ter cor devido a presença de íons metálicos dissolvidos, plâncton, macrófitas e despejos industriais. Antigamente, a medida da cor era feita apenas por motivo estético, porém, com a descoberta de que tais substâncias são precursoras de formação de trihalometanos THM, se a desinfecção for feita com cloro livre, a quantificação da cor passa a ser muito importante. A unidade de cor, também conhecida como unidade Hazen uh, é obtida quando se dissolve 1 mg de cloroplatinato de potássio e 0,5 mg de cloreto de cobalto em 1 litro de água destilada com ph igual a 7. O material em suspensão, geralmente presente nas águas superficiais, gera a cor aparente, ou seja, é como o ser humano a vê, mas é, na verdade, em parte resultado da reflexão e dispersão da luz nas partículas em suspensão. Removido o material em suspensão por centrifugação ou filtração, diz-se que a cor é verdadeira, devido a partículas coloidais carregadas negativamente e material dissolvido. A diferenciação entre a cor verdadeira e a cor aparente, que é adicionada pela turbidez, é dada pelo tamanho das partículas, isto é, pode-se generalizar que partículas com diâmetro superior a 1,2 µm causam turbidez e inferior, já na categoria de colóides e substâncias dissolvidas causam cor. A cor pode ser determinada por espectrofotomotria. É expressa pelo comprimento da onda dominante na transmissão da luz em um aparelho denominado espectrofotômetro. De acordo com a Portaria N.º 36, de 19/01/90, o valor máximo permissível, para a cor aparente, para a água tratada entrando no sistema de distribuição é de 5 uh e um valor de 15 uh é permitido em pontos da rede de distribuição. Temperatura Refere-se à temperatura da água no momento da coleta da amostra. A temperatura influi nas reações de hidrólise do coagulante, a eficiência da desinfecção, na solubilidade de gases e, em especial, no desempenho das unidades de mistura rápida, floculação, decantação e filtração. Por isso, é importante conhecer-se a variação de temperatura prevista na água a ser tratada. A temperatura é medida através de termômetro e é expressa, geralmente, em graus centígrados. Alcalinidade, Acidez e ph A alcalinidade pode ser entendida como a capacidade da água em neutralizar ácidos, e a acidez, como a de neutralizar bases. A alcalinidade é importante pois influi consideravelmente na coagulação química, já que os principais coagulantes primários, comumente usados no Brasil sulfato de alumínio e cloreto férrico são doadores de prótons em solução. Assim, se a alcalinidade da água for baixa, a coagulação eficiente poderá acontecer com a adição de um alcalinizante para ajuste do ph mas, se a alcalinidade e ph forem relativamente altos, é provável que o sulfato de alumínio não seja indicado. O termo ph é usado universalmente para expressar a intensidade de uma condição ácida ou alcalina de uma solução. O ph representa a concentração do íon de hidrogênio. Soluções com ph abaixo de 7 são denominadas ácidas e águas com ph acima de 7 são denominadas alcalinas. Águas com ph baixo tendem ser corrosivas ou agressivas a certos materiais, paredes de concreto e superfícies de cimento amianto e, águas com ph alto, tendem a formar incrustações. Nos sistemas de abastecimento público de água, o ph está geralmente compreendido entre 6,5 a 8,5. Coagulação A coagulação é o processo de tratamento que envolve uma série de operações químicas e mecânicas através das quais os coagulantes são
3 aplicados e exercem sua ação. Geralmente consideram-se estas operações como compreendendo duas fases distintas: mistura, na qual o coagulante dissolvido é rapidamente dispersado na água a ser tratada, geralmente por meio de agitação violenta; e floculação, que inclui a agitação da água a velocidades mais baixas por período mais longo, durante o qual as partículas muito pequenas crescem, aglutinam-se e aglomeram- se em flocos hidratados bem definidos, de tamanho suficiente para se decantarem prontamente. A água pode conter uma variedade de impurezas, destacando-se as partículas coloidais, substâncias húmicas e microrganismos em geral. Tais impurezas apresentam carga superficial negativa, impedindo que as mesmas aproximem-se uma das outras, permanecendo no meio se suas características não forem alteradas. Para que as impurezas possam ser removidas, é preciso alterar-se algumas características da água e, consequentemente, das impurezas, através da coagulação, floculação, sedimentação (ou flotação) e filtração. A coagulação, geralmente realizada com sais de alumínio e ferro, resulta de dois fenômenos, o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas com carga positiva, e depende da concentração do metal e ph final da mistura; o segundo, fundamentalmente físico, consiste no transporte das espécies hidrolis0adas para que haja contato com as impurezas presentes na água. O processo é muito rápido, variando desde décimos de segundo à cerca de 0 segundos, dependendo das demais características (ph, temperatura, quantidade de impurezas, etc). Ele é realizado em uma Estação de Tratamento de Água, na unidade de mistura rápida. Mecanismos da Coagulação Como visto anteriormente, partículas coloidais, substâncias húmicas e microorganismos em geral, apresentam-se com carga negativa na água, impedindo a aproximação das mesmas. Por isso, faz-se necessário alterar a força iônica do meio e, em tratamento de água, isto é feito, principalmente, pela adição de sais de alumínio ou de ferro ou de polímeros, caracterizando o fenômeno da coagulação. Atualmente considera-se a coagulação como o resultado da ação de quatro mecanismos distintos. a) compressão da camada difusa; b) adsorção e neutralização; c) varredura; d) adsorção e formação de ponte. Neste trabalho, abordaremos o mecanismo de adsorção e neutralização de cargas: Adsorção e Neutralização de Carga A desestabilização de uma dispersão coloidal consiste nas interações entre coagulantecolóide, coagulante-solvente. Uma amina orgânica, como C 12 H 25 NH + 3, é uma substância ativa na superfície dos colóides, que se acumula nas interfaces, e os grupos CH 2 nas cadeias alifáticas da molécula não interagem com a água. Em contraposição, cálcio e sódio interagem fortemente com as moléculas de água e não são ativos na superfície dos colóides. Duas diferenças importantes são evidentes quando se compara Na + com C 12 H 25 NH + 3. Primeiramente, os íons de sódio somente são efetivos como coagulante para concentrações da ordem de 0,1 M, enquanto a amina orgânica, com carga idêncitica, causa a desestabilização com concentração da ordem de 6x -5 M. Em segundo lugar, para concentrações da amina acima de cerca de 4x -4 M, ocorre a reestabilização dos colóides, fenômeno também conhecido como reversão de cargas, isto é, os colóides tornam-se carregados positivamente, pelo excesso de íons da amina que têm carga +1. O mesmo não acontece com o sódio. O mecanismo de adsorção neutralização de carga é muito importante quando o tratamento é realizado através de uma das tecnologias da filtração direta, pois não há necessidade da produção de flocos para posterior sedimentação mas de partículas desestabilizadas que serão retidas no meio filtrante. Coagulação com Cloreto Férrico O diagrama de solubilidade do ferro, mostrado na Figura 1, apresenta as regiões comumente encontradas quando a coagulação é feita com uso de cloreto férrico. Nota-se a existência de três regiões típicas: região A, em que a coagulacão é decorrente do mecanismo da varredura, com o ph compreendido entre 6 e 9 e dosagem de cloreto férrico na forma de FeCl 3 x6 H 2 O, entre 2,7 e 270 mg/l; região B, em que há predominância do mecanismo de coagulação por adsorcão e neutralizacão de carga, com o ph por volta de 4,5-6,0, e dosagem de cloreto férrico variando de 2,7 a 270 mg/l. Geralmente para valores de ph inferiores a 6, dependendo da dosagem de cloreto férrico, ocorre a reestabilizacão (região C).
4 Figura 1: Diagrama de coagulação do ferro a 25ºC A coagulação com sal de ferro é mais eficiente que com sal de alumínio, para valores de ph mais elevados. Essa observação é fundamental, pois muitas águas naturais possuem alcalinidade e ph relativamente altos, e isso pode tornar não adequado o uso do sulfato de alumínio como coagulante. Geralmente a eficiência da coagulação com cloreto férrico (FeCl 3 x 6 H 2 O) é semelhante à do sulfato de alumínio (Al 2 (SO 4 ) 3 x 14,3 H 2 O), quando comparados em termos de concentração molar pois, embora o sulfato de alumínio tenha massa molecular de, aproximadamente, 600 g e, o cloreto férrico, da ordem de 270 g, o primeiro forma dois moles de Al 3+ enquanto o segundo, somente 1 mol de Fe 3+ em solução. As investigações de Amirtharajah, com uso de uma solução com 50 % de sulfato de alumínio e 50 % de cloreto férrico (em função da massa molecular), indicam que não há benefícios substanciais se os resultados são comparados a um só coagulante (sulfato de alumínio ou cloreto férrico), embora o uso combinado desses coagulantes possa ser mais adequado em algumas situações, dependendo da qualidade da água. Características Dos Meios Filtrantes A camada suporte é geralmente constituída de seixos rolados ou pedregulhos. Segundo Baylis e colaboradores, existe uma relação entre o tamanho dos seixos e a espessura da subcamada considerada, cujos tamanhos comumente diminuem a partir do fundo. A constituição da camada suporte depende fundamentalmente do sistema de drenagem utilizado, o qual é função do método de lavagem adotado. Na filtração direta ascendente, a lavagem do filtro no sentido ascensional, a camada suporte é uma unidade importante, uma vez que a maior parte de impureza fica retida nela e, realizando descarga de fundo antes da lavagem, é possível remover grande parte do material retido. O conhecimento das características granulométricas dos materiais granulares que compõem o meio filtrante é imprescindível para que se possa projetar um sistema de filtração. O tamanho dos grãos e a distribuição de tamanhos são obtidos através da análise granulométrica do material granular, utilizando-se peneiras padronizadas. Materiais e Métodos O desenvolvimento da etapa experimental envolveu diversas partes, a seguir relacionadas: a) preparação da camada suporte e da areia (seleção e peneiramento); b) ensaios preliminares de filtração; c) ensaios de filtração; d) análise dos parâmetros físicos, ph e temperatura. A construção do filtro, em escala piloto, teve como base um estudo feito por Di Bernardo, onde foi realizado um ensaio de uma instalação piloto de filtração direta ascendente para uma taxa de filtração igual a 120 m 3 /m 2 d. Equipamentos para análises físico-químicos Para a análise dos parâmetros físico e químico foram utilizados os seguintes aparelhos e materiais: - turbidímitro digital, marca Hatch modelo 20P; - espectrofotômetro, marca Hatch modelo DR/20; - potênciômetro marca Quimis, com eletrodo de ph; - aparelho de Jar-Test, marca Policontrol modelo Turb-Floc Jr; - papel de filtro W40; Os ensaios de Jar-test foram realizados numa etapa preliminar para determinação das dosagens ótimas do coagulante, em escala de bancada. O coagulante empregado em nosso trabalho foi: - cloreto férrico, grau de pureza comercial. Filtro em Escala Piloto A caixa do filtro é constituído de um tubo de acrílico de seção circular, e com diâmetro interno de 260,0 mm e altura de 2,50m. Um reservatório de acrílico, de seção circular, com diâmetro interno de 600 mm e altura de 0,90 m, foi utilizado para aumentar a carga hidráulica. A camada suporte é constituída de cinco subcamadas, com pedregulho variando de 2,4 a 32,0 mm. A camada de areia possui espessura de 1,00 m e diâmetro efetivo de 0,85 mm. Para melhor visualização, os parâmetros hidráulicos e geométricos foram sumarizados na Tabela 1. Na figura 2, podemos visualizar a instalação do filtro piloto. Tabela 1. Parâmetros hidráulicos e geométricos do filtro piloto. Item Unidade Valor Area em planta m 2 0,053 Taxa de filtração m 3 /m 2 dia 120 Altura da lâmina d água acima da m 0,6 camada de areia Altura da camada de areia m 1,0 Altura da camada suporte m 0,4 Caracterização da camada de areia 0,59 mm a 0,84 mm % em peso 0,84 mm a 1,19 mm % em peso 40
5 1,19 mm a 2,00 % em peso 50 Diâmetro efetivo da camada de areia mm 0,85 (D e) Coeficiente de não uniformidade (C nu) - 1,60 Caracterização da camada suporte 2,4 mm a 4,8 mm m 0,0 4,8 mm a 6,3 mm m 0,0 9,5 mm a 12,5 mm m 0,075 19,0 mm a 25,0 mm m 0,075 25,0 mm a 32,0 mm m 0,050 Figura 2: Instalação do Filtro Piloto de Fluxo Ascendente. O alimentador de coagulante, medindo 30,5 cm x 30,0 cm x 30,0 cm, foi construído em chapa de acrílico. Um dispositivo flutuante e um dosador, comumente usado para controle de aplicação de soro fisiológico, foi empregado para manter a dosagem de FeCl 3. Um recipiente de plástico, utilizado na comercialização de produtos químicos, foi adaptado para funcionar como câmara de mistura rápida hidráulica. Metodologia A trajetória da água bruta até a saída de água tratada, está esquematizada na Figura 4. O afluente, proveniente do reservatório elevado, chega através de tubulação até o reservatório de acrílico, onde há registro de esfera para regularização de vazão; antes de ser despejada neste reservatório, é vertida em recipiente de 5 litros de capacidade, onde é feita mistura rápida com coagulante. A água coagulada chega na base do filtro piloto, através de tubulação, e passa a ser filtrada no sentido ascensional; o efluente é vertido através de tubulação instalada no topo do filtro, e esta segue para o reservatório enterrado, onde novamente é recalcado para o reservatório elevado. A descarga de fundo é efetuada por intermédio de tubulação conectada à peça no fundo do filtro, contendo registro tipo gaveta. A operação com descargas de fundo intermediárias foi feita de modo a promover a limpeza da camada suporte, com conseqüente recuperação de carga hidráulica e aumento da carreira de filtração. A dosagem ótima de coagulante, igual a 13 mg/l, foi determinada no Laboratório de Química e Saneamento da Fatec-SP. Foram realizados ensaios de Jar-Test, seguido de filtração em papel de filtro W-40. A taxa de filtração adotada é de 120 m 3 /m 2 dia, onde o filtro foi operado de modo intermitente, ou seja durante o dia, em intervalos de tempo variáveis. Nos fins de semana e feriados, o dispositivo permaneceu parado. As coletas de água bruta e água tratada foram realizadas diariamente em um período de três meses, cujos resultados serão discutidos posteriormente. Foram coletadas 5 amostras de água filtrada e 1 amostra de água bruta, por dia. Logo após cessada a coleta diária, as amostras seguiam para as análises físico e químico (ph). Resultados e Discussão Nos diagramas da Fig. 5, são apresentados os valores de turbidez e cor aparente, tanto da água bruta como da água tratada, em função do tempo de funcionamento do filtro. Pode-se observar uma radual melhora na qualidade da água bruta. Isto decorre do fato de a água filtrada retornar, ao circuito fechado do Laboratório de Hidráulica, proporcionando assim uma diluição. Ainda nos diagramas da Fig. 5, pode ser visto o desempenho do sistema de filtração, objeto de estudo. A turbidez da água filtrada tem permanecido em torno de 0,15 ut, enquanto que a cor aparente tem apresentado valores médios de 3,5 uh. Já as curvas que representam, na Figura 6, os valores de ph da água bruta e da água filtrada, mostram que a acidez introduzida no circuito, pelo coagulante, esta sendo consumida, visto que dede o início de operação do filtro, esse valores tem se mantido estáveis. Ressalta-se aqui, que não foi empregado qualquer produto para ajuste desse parâmetro. 0 0 Turbidez e Cor Aparente 1 1 0, Tempo (h) Turbidez da Água Filtrada Turbidez da Água Bruta Cor Aparente da Água Filtrada Cor Aparente da Água Bruta Figura 5: Turbidez e Cor Aparente da Água Bruta e Água Tratada ao longo do tempo 0,1 Figura 4: Esquema da instalação do filtro piloto
6 ph ph água bruta Tempo (h) ph água tratada Figura 6: ph da Água Bruta e Água Tratada ao longo do tempo Conclusão A qualidade da água filtrada, em termos de turbidez, cor aparente e ph, satisfaz o Padrão de Potabilidade dado pela Portaria 36/GM; Foi constatado também que a retenção de impurezas durante a filtração ocorre na camada de pedregulho e, principalmente, na porção inferior da camada de areia; A turbidez da água bruta declinou de 15 ut para 1,85 ut, em virtude da diluição proporcionada pela água filtrada A cor aparente da água bruta, embora tenha declinado de 65 uh para 17 uh, ainda pode ser considerada elevada, em virtude da taxa de filtração adotada, o que representa, para esse parâmetro, um fator de diluição insuficiente, quando comparado com resultado obtido para a turbidez. Bibliografia 1. BRASIL. Ministério da Saúde. Portaria n. 36 de 19 de janeiro de Diário Oficial, Brasília, 23 jan Seção 1, p Di Bernardo, L. Métodos e Técnicas de tratamento de Água - V. I e II. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, Brasil, Di Bernardo, L. & Razaboni, J. D. Influência da realização de descargas de fundo durante a carreira de filtração no comportamento de sistemas de filtração direta ascendente REVISTA DAE, v. 44, n. 139, p , dez