Análise preliminar comparativa da utilização de coagulantes orgânicos e inorgânicos para o tratamento de água

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1 Análise preliminar comparativa da utilização de coagulantes orgânicos e inorgânicos para o tratamento de água Gláucia Zanetti Souza (UEPG) glaucia_zanetti@hotmail.com Camila Navarini (UEPG) camilanavarini@hotmail.com Giovana Katie Wiecheteck (UEPG) giovana@uepg.br Elaine Carvalho da Paz (Sanepar) elainecp@sanepar.com.br Resumo: O presente trabalho apresenta uma análise preliminar comparativa de utilização de um polímero natural (Tanfloc ) e do policloreto de alumínio (PAC) como agentes de coagulação e floculação no tratamento de águas para consumo. A comparação, efetuada em termos de eficiência, analisou os parâmetros físicoquímicos e organolépticos básicos de, turbidez, alcalinidade, cor e ferro, medidos após o teste de jarros. Foram utilizadas concentrações operacionais de coagulante. Os resultados preliminares obtidos demonstraram que o coagulante natural apresenta eficiência quanto aos parâmetros analisados, indicando a viabilidade de continuidade da pesquisa. Palavras-chave: coagulação, floculação, polímero natural. 1. Introdução As tecnologias de tratamento de água apresentam diversos processos e operações unitárias responsáveis pela adequação da água bruta aos padrões de potabilidade estabelecido por legislação vigente (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2011). Para enquadramento nos padrões de potabilidade, o processo de tratamento mais simples engloba as etapas de decantação e filtração (BABBITT et al., 1976). A etapa de decantação ocorre a partir dos processos de coagulação, floculação, sedimentação e decantação propriamente dita. O processo de coagulação/floculação promove a remoção de substâncias coloidais, ou seja, material sólido em suspensão (cor) e/ou dissolvido (turbidez) (AZEVEDO NETO et al., 1979). A coagulação é o processo através do qual o agente coagulante adicionado à água, reduz as forças que tendem a manter separadas as superfícies em suspensão. A floculação é a aglomeração dessas partículas por meio de transporte de fluido, formando partículas maiores que possam sedimentar (RICHTER & AZEVEDO NETO, 2007). A adição de agentes químicos, denominados de eletrólitos, promove a coagulação, neutralizando as forças de repulsão entre as partículas coloidais, por meio de mecanismos de ligação química e de adsorção na superfície da partícula coloidal. Para que o processo de coagulação seja eficiente, este deve ser realizado por meio de agitação intensa (mistura rápida) para que ocorram interações entre o coagulante e a água (DI BERNARDO & DANTAS, 2005). No Brasil, o processo padrão de tratamento de água é o de tratamento convencional de ciclo completo, que engloba as etapas de coagulação, floculação, decantação/flotação, filtração (que pode ser ascendente ou descendente), desinfecção, fluoretação e correção de (RICHTER & AZEVEDO NETO, 2007). Os produtos coagulantes mais utilizados em processos de mistura rápida são aqueles a base de sais inorgânicos metálicos. A utilização de agentes coagulantes tradicionais à base de sais

2 inorgânicos metálicos no processo de tratamento de água para consumo humano, como, por exemplo, sais de alumínio, requerem rígido controle sobre o residual de alumínio na água tratada (KAWAMURA, 1991; CLAYTON, 1989). O policloreto de alumínio PAC (Al n (OH) m (Cl 3 ) n-m ) é um agente coagulante inorgânico não biodegradável que acrescenta elementos químicos à água ou ao lodo gerado no processo de tratamento de água. Como este lodo possui características inorgânicas e um elevado teor de umidade, sua disposição final torna-se difícil e onerosa (SANEPAR, 2012). Além disso, a base matriz do PAC é de um elemento não renovável na natureza, o que sinaliza a busca por agentes coagulantes alternativos ambientalmente mais compatíveis (DA SILVA, 1999). A utilização de coagulantes orgânicos, que possam ser utilizados de forma individual ou em conjunto com outros sais inorgânicos coagulantes tradicionais, vem se tornando cada vez mais uma alternativa atrativa, visando à minoração de residuais de compostos metálicos no processo de tratamento de água (KONRADT-MORAES et al., 2008). Os coagulantes orgânicos apresentam várias vantagens em relação aos coagulantes inorgânicos por serem biodegradáveis e não-tóxicos, e ainda produzirem lodo em menor quantidade e isento de sais metálicos, o que facilita a sua compostagem e disposição final (KAWAMURA, 1991). Em relação a custos, os biopolímeros catiônicos apresentam ainda um custo superior aos dos coagulantes inorgânicos (VAZ et al., 2010). Um dos coagulantes orgânicos atualmente utilizados são os taninos. Os taninos atuam em sistemas de partículas coloidais, neutralizando cargas e formando pontes entre estas partículas, sendo este processo responsável pela formação de flocos e conseqüente sedimentação (GRAHAM et al., 2008). Dentre as vantagens dos coagulantes a base de tanino, destaca-se a manutenção do da água tratada por não consumir alcalinidade do meio, ao mesmo tempo em que é efetivo em uma faixa de de 4,5 8,0 (BARRADAS, 2004; DA SILVA, 1999). Outras vantagens com relação ao uso de taninos vegetais como coagulantes seriam: a propriedade de adsorção dos metais dissolvidos na água, aglutinando-os por precipitação no meio, facilitando assim a sua remoção; e a eliminação ou redução da toxidez existente na água oriunda de fontes contendo cianofíceas ou bactérias clorofiladas (DA SILVA, 1999). O agente coagulante a base de tanino, Tanfloc SL, da empresa Tanac S/A é um polímero orgânico catiônico obtido a partir do processo de lixiviação da casca da Acácia negra (Acácia mearnsii de wild), de baixa massa molecular, constituído basicamente por um tanatoquartenário de amônio (TANAC, 2008). Neste trabalho estudou-se a comparação da eficiência na remoção de turbidez e cor aparente em ensaios de coagulação, floculação e decantação, utilizando-se dois tipos de coagulantes, a saber, o PAC e o Tanfloc SL. 2. Materiais e métodos Em geral, os estudos para avaliar a eficiência das etapas de coagulação, floculação e decantação, em estações de tratamento de água ETA, são realizados em escala de laboratório, de acordo com as características da água bruta, utilizando equipamento de Jar- Test. Os ensaios para determinação dos parâmetros físico-químicos e organolépticos e, posterior comparação de eficiência, foram realizados com a água bruta oriundas do Rio Tibagi, no município de Tibagi, Rio São Cristovão, no município de Castro, e Rio Furneiros, no

3 município de Imbaú, todos no Estado do Paraná. Os coagulantes empregados foram PAC e Tanfloc SL. Os ensaios de coagulação/floculação/sedimentação foram realizados em aparelho Jar-Test, com capacidade de 2 litros. A água bruta superficial foi captada na tomada das ETA s, sendo devidamente caracterizada no momento da coleta e durante a execução dos ensaios para a verificação da homogeneidade das características da água a ser utilizada nos experimentos. A concentração adotada para os coagulantes inorgânico e orgânico foram as operacionais de cada ETA, para o turno 1 de operação (das 6:00 h as 12:00 h). Para as água bruta e, foram medidos os parâmetros: turbidez,, cor, alcalinidade e ferro. Em adição, para a água bruta foi medida também a temperatura, uma vez que a temperatura influi significativamente na viscosidade da água. Determinou-se a temperatura com o uso de um termômetro de mercúrio graduado por imersão do mesmo na amostra, sendo a medida em graus Celsius. Para medição da turbidez foi utilizado o método nefelométrico, isto é, medida da turbidez nefelométrica que é uma medida empírica da turbidez baseada nas medidas das características difusoras da luz (Efeito Tyndall) da matéria em suspensão em uma amostra e dada em unidade de turbidez nefelomética (utn) (SANEPAR, 2012). Para medição do foi utilizado o método ponteciométrico através de um aparelho denominado metro. A cor aparente foi medida em unidade Hazen e determinada por comparação visual entre soluções utilizando o aparelho Aquatester. A medida da alcalinidade é de fundamental importância durante o processo de tratamento de água, pois, é em função do seu teor que se estabelece a dosagem dos produtos químicos utilizados no processo de tratamento. O método utilizado para determinação foi o de ponto de viragem em titulação com ácido sulfúrico, medida em mg/l de CaCO 3 (carbonato de cálcio). A medida de ferro foi efetuada por comparação colorimétrica de solução titulada utilizando um aparelho denominado colorímetro. O teste dos jarros foi o método aplicado para aplicação das dosagens operacionais dos coagulantes em estudo. Foram adotados os tempos e gradientes de velocidade revertido para número de rotações por minuto (r.p.m.), conforme a curva operacional de cada aparelho operacionais de cada ETA. Após o término das etapas de coagulação/floculação/sedimentação, para os coagulantes estudados, foi coletada uma amostra de aproximadamente 20 ml de cada cuba, que foram posteriormente analisadas em função da remoção de cor, turbidez,, alcalinidade e remoção de ferro para a avaliação da eficiência dos processos. Com os dados obtidos construíram-se as tabelas de resultados. A eficiência do processo foi estimada, por meio da capacidade de remoção de cor, turbidez e ferro, bem como manutenção do e alcalinidade da água coagulada. 3. Resultados e discussões Os quadros 1 a 3, a seguir, apresentam os resultados dos ensaios utilizando o PAC.

4 Quadro 1 Ensaio com PAC para água do Rio Tibagi água bruta do Rio Tibagi Tibagi Temperatura ( C) Turbidez (unt) 23,9 6,75 77, ,37 Produto: PAC Gradiente de coagulação: 70 s -1 Tempo de coagulação: 30 s Gradiente de floculação: 30 s -1 e 20 s -1 Tempo de floculação: 5 min. e 10 min. Jarro coagulante Turbidez remanescente (unt) 1 6 6,79 29, , ,77 11, , ,69 4, , ,64 4, , ,48 7, , ,43 64, ,38 Da análise do Quadro 1, verificou-se que a melhor dosagem para remoção de cor e turbidez foi a do jarro 4 com 12 ppm de PAC, contudo, o valor medido está acima do valor de 3 unt indicado pela Portaria MS-2914/2011 para a, indicando readequação na dosagem do coagulante. A água bruta apresentou alcalinidade menor do que a faixa indicada para utilização do PAC que é de 18 a 22. A melhor dosagem de PAC imprimiu uma diminuição na capacidade da de neutralizar ácidos, o que poderá influenciar negativamente nos processos seguintes do tratamento. Para o, verificou-se um decréscimo do mesmo na, contudo, apesar de ser um ácido, este manteve-se próximo do neutro e acima do valor mínimo de 6 da faixa de atuação do PAC. O PAC mostrou-se ainda eficiente na remoção do ferro, com valor abaixo de 0,3 mg/l indicado pela Portaria MS-2914/2011 e na remoção da cor aparente. Quadro 2 Ensaio com PAC para água do Rio São Cristovão água bruta do Rio São Cristovão Castro Temperatura ( C) Turbidez (unt) 25,5 6,29 13, ,66 Produto: PAC Jarro coagulante Gradiente de coagulação: 70 s -1 Tempo de coagulação: 15 s Gradiente de floculação: 20 s -1 Tempo de floculação: 15 min. Turbidez remanescente (unt)

5 1 5 6,48 7, , ,37 2, , ,32 1, , ,37 1, , ,32 1, , ,32 1, ,22 Da análise do Quadro 2, verificou-se que a melhor dosagem para remoção de cor e turbidez foi a do jarro 4 com 11 ppm de PAC, com valor medido abaixo do valor de 3 unt indicado pela Portaria MS-2914/2011 para a. A água bruta apresentou alcalinidade maior do que a faixa indicada para utilização do PAC que é de 18 a 22. A melhor dosagem de PAC imprimiu uma diminuição na alcalinidade, mas mantendo-a ainda com um valor aceitável para manutenção dos processos seguintes de tratamento. Para o, verificou-se um acréscimo do mesmo na, próximo do neutro e acima do valor mínimo de 6 da faixa de atuação do PAC. O PAC mostrou-se ainda eficiente na remoção do ferro, com valor abaixo de 0,3 mg/l indicado pela Portaria MS-2914/2011 e na remoção da cor aparente. Quadro 3 Ensaio com PAC para água do Rio Furneiros água bruta do Rio São Furneiros Imbaú Temperatura ( C) Turbidez (unt) 18,0 7,25 22, ,44 Produto: PAC Gradiente de coagulação: 130 s -1 Tempo de coagulação: 30 s Gradiente de floculação: 30 s -1, 25 s -1 e 20 s -1 Tempo de floculação: 5 min. para cada gradiente Jarro coagulante Turbidez remanescente (unt) 1 6 7,29 25,1 25 SD SD 2 8 7,31 17,8 25 SD SD ,25 4, , ,21 3,77 17,5 19 0, ,19 2,53 17,5 19 0, ,14 2,35 17,5 19 0,15 SD sem determinação. Da análise do Quadro 3, verificou-se que a melhor dosagem para remoção de cor e turbidez foi a do jarro 6 com 16 ppm de PAC, com valor medido abaixo do valor de 3 unt indicado pela Portaria MS-2914/2011 para a. Como a melhor dosagem ocorreu no último jarro, indica-se a repetição deste ensaio utilizando a dosagem de 16 ppm como central e abertura de nova faixa. A água bruta apresentou alcalinidade maior do que a faixa indicada para utilização do PAC que é de 18 a 22. A melhor dosagem de PAC imprimiu uma diminuição na alcalinidade, mas

6 mantendo-a ainda com um valor aceitável para manutenção dos processos seguintes de tratamento. Para o, verificou-se um decréscimo do mesmo na, contudo, manteve-se um básico, muito próximo do neutro e abaixo do valor máximo de 8 da faixa de atuação do PAC. O PAC mostrou-se ainda eficiente na remoção do ferro, com valor abaixo de 0,3 mg/l indicado pela Portaria MS-2914/2011 e na remoção da cor aparente. Os quadros 4 a 6, a seguir, apresentam os resultados dos ensaios utilizando o Tanfloc SL. Quadro 4 Ensaio com Tanfloc SL para água do Rio Tibagi água bruta do Rio Tibagi Tibagi Temperatura ( C) Turbidez (unt) 23,9 6,75 77, ,37 Produto: Tanfloc SL Gradiente de coagulação: 100 s -1 Tempo de coagulação: 30 s Gradiente de floculação: 30 s -1 e 20 s -1 Tempo de floculação: 5 min. e 10 min. Jarro coagulante Turbidez remanescente (unt) 1 5 6,72 13,7 Sd 13 0, ,73 5, , ,66 4, , ,52 8, , ,42 55,5 Sd 15 1, ,31 59,7 sd 16 1,11 Por recomendação do fabricante, a faixa de dosagem para o Tanfloc SL foi decrescida em 1 ppm para cada jarro e variada a cada 3 ppm. Da análise do Quadro 4, verificou-se que a melhor dosagem para remoção de cor e turbidez foi a do jarro 3 com 11 ppm de Tanfloc SL, 1 ppm a menos que o PAC, com valor medido acima do valor de 3 unt indicado pela Portaria MS-2914/2011 para a, semelhante ao PAC, indicando readequação na dosagem do coagulante. Tal como para o PAC, a melhor dosagem de Tanfloc SL imprimiu uma diminuição na capacidade da de neutralizar ácidos e decréscimo no valor do, que manteve-se ácido, contudo, bem mais próximo do neutro do que na dosagem com PAC. O Tanfloc SL mostrou-se ainda eficiente na remoção do ferro, com valor abaixo de 0,3 mg/l indicado pela Portaria MS-2914/2011 e na remoção da cor aparente. Quadro 5 Ensaio com Tanfloc SL para água do Rio São Cristovão

7 água bruta do Rio São Cristovão Castro Temperatura ( C) Turbidez (unt) 25,5 6,29 13, ,66 Produto: Tanfloc SL Gradiente de coagulação: 70 s -1 Tempo de coagulação: 15 s Gradiente de floculação: 20 s -1 Tempo de floculação: 15 min. Jarro coagulante Turbidez remanescente (unt) 1 3 6,46 5, , ,35 3, , ,31 2, , ,29 2, , ,26 2, , ,23 5, ,69 Por recomendação do fabricante, a faixa de dosagem para o Tanfloc SL foi decrescida em 2 ppm para cada jarro. Da análise do Quadro 5, verificou-se que a melhor dosagem para remoção de cor e turbidez foi a do jarro 4 com 9 ppm de Tanfloc SL, 2 ppm a menos que o PAC, com valor medido abaixo do valor de 3 unt indicado pela Portaria MS-2914/2011 para a, semelhante ao PAC. Tal como para o PAC, a melhor dosagem de Tanfloc SL imprimiu uma diminuição na capacidade da de neutralizar ácidos, mas mantendo-a ainda com um valor aceitável, contudo, com manutenção no valor do, que se manteve ácido e bem mais próximo do neutro do que na dosagem com PAC. Para o Tanfloc SL o valor de ferro ficou acima de 0,3 mg/l indicado pela Portaria MS- 2914/2011, contudo, este é um valor pretendido para a água final tratada, indicando assim, que deverá ser prevista a remoção do excedente nas etapas seguintes do tratamento e/ou readequação da dosagem do coagulante. O Tanfloc SL mostrou-se eficiente na remoção da cor aparente. Quadro 6 Ensaio com Tanfloc SL para água do Rio Furneiros água bruta do Rio São Furneiros Imbaú Temperatura ( C) Turbidez (unt) 18,0 7,25 22, ,44 Produto: Tanfloc SL Jarro coagulante Gradiente de coagulação: 130 s -1 Tempo de coagulação: 30 s Gradiente de floculação: 30 s -1, 25 s -1 e 20 s -1 Tempo de floculação: 5 min. para cada gradiente Turbidez remanescente (unt)

8 1 3 7,22 22, , ,20 18, , ,19 5, , ,20 2, , ,18 2, , ,05 21, ,93 Por recomendação do fabricante, a faixa de dosagem para o Tanfloc SL foi decrescida em 3 ppm para cada jarro e variada a cada 3 ppm. Da análise do Quadro 6, verificou-se que a melhor dosagem para remoção de cor e turbidez foi a do jarro 4 com 12 ppm de Tanfloc SL, 4 ppm a menos que o PAC, com valor medido abaixo do valor de 3 unt indicado pela Portaria MS-2914/2011 para a, semelhante ao PAC. Tal como para o PAC, a melhor dosagem de Tanfloc SL imprimiu uma diminuição na capacidade da de neutralizar ácidos, mas mantendo-a ainda com um valor básico próximo do neutro. O Tanfloc SL mostrou-se ainda eficiente na remoção do ferro, com valor abaixo de 0,3 mg/l indicado pela Portaria MS-2914/2011 e na remoção da cor aparente. As Figuras 1 a 3, a seguir, apresentam os ensaios em Jar-test realizados. (a) PAC (b) Tabfloc SL Figura 1 Ensaio em Jar-test para água do Rio Tibagi

9 (a) PAC (b) Tabfloc SL Figura 2 Ensaio em Jar-test para água do Rio São Cristovão (a) PAC (b) Tabfloc SL 4. Conclusões Figura 3 Ensaio em Jar-test para água do Rio Furneiros Como avaliação preliminar geral, verificou-se que o Tanfloc SL apresenta comportamento como agente coagulante semelhante ao PAC, apresentando como vantagens a manutenção do

10 da, maior remoção de turbidez e aplicação de menor dosagem de coagulante. Desta forma, conclui-se que a utilização deste coagulante orgânico pode ser uma alternativa técnica aos coagulantes convencionais, sendo viável a continuidade da pesquisa. Como trata-se de análise preliminar, os resultados e conclusões apresentados não são suficientes para efetivação de testes em escala macro, devendo-se dar continuidade aos testes em bancada. Referências bibliográficas AZEVEDO NETO, J. M. de; MANFRINI, C.; CAMPOS, J. R.; POVINELLI, J.; PARLATORE, A. C.; HESPANOL, I.; ROSSIN, A. C.; YAGUINUMA, S. Técnica de Abastecimento e Tratamento de Água. 2 ed. São Paulo: CETESB, vol. 1 e 2, 951 p., BABBITT, H. E.; DOLAND, J. J.; CLEASBY, J.L. Abastecimento de Água. 1 ed. São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda, 592 p., BARRADAS, J. L. D. Tanino - Uma solução ecologicamente correta: agente floculante biodegradável de origem vegetal no tratamento de água. Novo Hamburgo: Publicação Técnica, CLAYTON, B. E. Report of the lowermoor incident advisory group. American Journal of Industrial Medicine, v. 40, n. 3, p , DA SILVA, T. S. S. Estudo de tratabilidade físicoquímica com uso de taninos vegetais em água de abastecimento e de esgoto. Rio de Janeiro: Fundação Oswaldo Cruz, Escola Nacional de Saúde Pública, DI BERNARDO, L.; DANTAS, A. D. B. Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. 2 ed. São Carlos: Rima, vol. 1 e 2, 1584 p., GRAHAM, N.; GANG, F.; FOWLER, G.; WATTS, M. Characterisation and coagulation performance of a tanninbased cationic polymer: a preliminary assessment. Colloids and Surface A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 327, n. 1-3, p. 9-16, KAWAMURA, S. Effectiveness of natural polyelectrolytes in water treatment. Journal American Water Works Association, v. 83, n. 10, p , KONRADT-MORAES, L. C.; BERGAMASCO, R.; TAVARES, C. R. G.; HENNIG, D.; BONGIOVANI, M. C. Utilization of the coagulation diagram in the evaluation of the natural organic matter (NOM) removal for obtaining potable water. International Journal of Chemical Reactor Engineering, v. 6, A87, MINISTÉRIO DA SAÚDE. Portaria n. 2914, de 12 de dezembro de Dispõe sobre os procedimentos de controle e de vigilância da qualidade da água para o consumo humano e seu padrão de potabilidade. Disponível em < Acesso em abril de RICHTER, C. A.; AZEVEDO NETO, J. M. de. Tratamento de Água: Tecnologia atualizada. 7 ed. São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda, 332 p., SANEPAR COMPANHIA DE SANEAMENTO DO PARANÁ. Qualidade da Água, excelência humana, programa de educação e qualificação, módulo operacional. Material de treinamento, 185 p., TANAC. Boletim Informativo. Montenegro. Brasil, 57 p, VAZ, L. G. DE L. KLEN, M. R. F.; VEIT, M. T.; DA SILVA, E. A.; BARBIERO, T. A.; BERGAMASCO, R. Avaliação da eficiência de diferentes agentes coagulantes na remoção de cor e turbidez em efluente de galvanoplastia. Eclética Química, v. 35, n. 4, p , PR, Agradecimentos As autoras agradecem à Companhia de Saneamento do Paraná Sanepar, que disponibilizou os laboratórios, o PAC e suporte técnico para efetivação dos ensaios, em especial ao Tec. Daniel Nunes, o Eng. Rafael Polak, Eng. Irineu Delai e Eng. Wandir Nogueira. Em adição, à TANAC que disponibilizou o Tanfloc SL e suporte técnico.