A INFLUÊNCIA DO ph DE COAGULAÇÃO E DO TEMPO DE FLOCULAÇÃO NA FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO DE ÁGUAS DE BAIXA TURBIDEZ E COM PRESENÇA DE ALGAS

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1 A INFLUÊNCIA DO ph DE COAGULAÇÃO E DO TEMPO DE FLOCULAÇÃO NA FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO DE ÁGUAS DE BAIXA TURBIDEZ E COM PRESENÇA DE ALGAS Mauro Roberto de Souza Lacerda (1) Engenheiro Civil pela Universidade de Brasília. Mestre em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Brasília. Sílvia Fernanda de Sales Marques Estudante de Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Brasília. Cristina Celia Silveira Brandão PhD em Engenharia Ambiental pelo Imperial College/ Universidade de Londres. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Brasília. Endereço (1) : Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos - Departamento de Engenharia Civil - Campus Universitário - Asa Norte - DF - CEP: Brasil. RESUMO A proliferação acentuada de algas em mananciais pode levar a enorme sobrecarga nos sistemas de tratamento. O processo de tratamento convencional geralmente apresenta reduzido potencial de remoção de algas, principalmente na etapa de sedimentação, uma vez que as algas têm a característica de formar flocos leves, com tendência a flutuar. Neste caso, a adoção de uma etapa de flotação é recomendada, já que neste processo a remoção ocorre por meio da introdução de microbolhas de ar, que se aderem aos flocos, e tendem a flutuar até a superfície do tanque de flotação, onde é removido. Um aspecto importante para a eficiência do processo de flotação por ar dissolvido (FAD) é que se garanta as condições ótimas de coagulação/floculação. Baseado nisto, neste trabalho foi investigado, em escala de bancada, a influência, na FAD, da variação dos valores de ph de coagulação, bem como avaliar a influência do tempo de floculação para dosagens dentro e fora da faixa ótima para cada um dos ph estudados. Os resultados obtidos mostram que, para a água em estudo, elevadas eficiências de remoção podem ser conseguidas com o uso da FAD e que eficiências similares podem ser atingidas para diferentes valores de ph, desde que se trabalhe na faixa ótima de dosagem de coagulante. A influência do tempo de floculação se mostrou com características diferentes para cada um dos três valores de ph pesquisados, mostrando que a otimização deste parâmetro para as respectivas condições de coagulação, se faz importante para se chegar a elevadas eficiências de remoção. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Água, Remoção de Algas, Flotação por Ar Dissolvido, Coagulação, Floculação. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1566

2 INTRODUÇÃO A proliferação acentuada de algas em mananciais, devida a crescente utilização de fertilizantes e a descarga de efluentes domésticos e industriais, tratados ou não, nos corpos d'água, pode levar a enorme sobrecarga nos sistemas de tratamento. Além dos impactos operacionais, a presença de algas na água de abastecimento pode desencadear outros problemas: sabor e odor, aumento dos residuais de coagulante, formação de trihalometanos, além de corrosão da tubulação. O processo de tratamento convencional geralmente apresenta reduzido potencial de remoção de algas, devido principalmente à ineficiência do sedimentador e à inaceitabilidade de corridas de filtração curtas. A eficiência de remoção de algas por diversos processos de tratamento é discutida por Janssens e Buekens (1993). A partir dos resultados, pode-se observar que, para uma faixa abrangente de concentração de algas, o teor de turbidez presente na água é o fator condicionante para definição do processo mais adequado. Assim, para valores de turbidez menores que 1 Unidades de Turbidez (UT) e clorofila-a variando de 2 a 25 µg/l, os autores aconselham o emprego de filtração direta ou de flotação por ar dissolvido (FAD), seguida de filtração. Por outro lado, se uma água possui uma mistura de partículas inorgânicas e algas, o processo de sedimentação pode tornar-se tanto mais eficiente quanto maior for o teor de turbidez ( UT ou mais). Resultados obtidos por Brandão e colaboradores (Lacerda et al.,1994; Costa et al.,1995; Brandão et al.,1996), em experimentos em escala de bancada, mostram que, para águas de baixa turbidez e presença significativa de algas, é possível se obter elevadas remoções de algas, com o uso da filtração direta, desde que se garanta a eficiência da etapa de coagulação e de floculação. O processo de flotação é definido como a remoção de partículas, por meio da introdução de microbolhas de ar, que, quando em contato com as partículas, formam um aglomerado partícula-bolha de densidade aparente menor que o da água, que tende a flutuar até a superfície do tanque de flotação, onde é removido. No tratamento de água, o tipo de flotação mais utilizado é a flotação por ar dissolvido com pressurização do reciclo. Neste sistema, parte da água clarificada é saturada com ar sob pressão e, em seguida, é introduzida no tanque de flotação, que se encontra à pressão atmosférica, ocorrendo a liberação de microbolhas. Este tipo de flotação é o mais recomendado pois minimiza a ruptura dos flocos formados na etapa de coagulação/floculação. Um aspecto importante para a eficiência do processo de FAD é que se garanta as condições ótimas de ph de coagulação e de dosagem de coagulante (Edzwlad e Wingler, 199). Estas condições são fundamentais para que se formem flocos com características adequadas (tamanho, densidade e carga) para proporcionar uma melhor agregação entre as microbolhas de ar e os flocos. Um outro aspecto importante é o tempo de floculação, que também influencia no tamanho e densidade do floco. Edzwald et al. (1992) sugerem que o tamanho do floco deve estar por volta de 1 a 3 µm. Entretanto, na literatura, não há uma convergência com relação ao tempo de floculação ideal. Em relação a remoção de algas por flotação, Edzwald e Wingler 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1567

3 (199) observaram que um tempo de floculação de 5 minutos é suficiente para obtenção de uma elevada eficiência. Por outro lado, Reali e Gianotti (1993) pesquisando também a remoção de algas por flotação, obtiveram resultados que mostraram as melhores eficiências com tempo de floculação entre 15 e 2 minutos. A explicação desta divergência não está muito clara, porém pode estar relacionada ao tipo de alga predominante em cada pesquisa ou a outras características de qualidade da água testada. Ambos os trabalhos não se aprofundam muito na discussão com relação ao mecanismo de coagulação atuante na faixa de ph pesquisado, o que talvez poderia explicar tal divergência. OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é investigar, em escala de bancada, a influência na FAD da variação da dosagem de coagulante para três valores distintos de ph (5, 6 e 7), e do tempo de floculação para dosagens dentro e fora da faixa ótima para cada um dos ph estudados. METODOLOGIA Para o desenvolvimento do trabalho foi montado, no Laboratório de Análise de Água do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Brasília, um equipamento em escala de bancada conhecido como flotateste. Este equipamento é composto de uma câmara de saturação e recipientes (aqui denominados colunas de flotação) onde ocorrem, seqüencialmente, as etapas de mistura rápida, floculação e flotação. A câmara de saturação e as colunas flotação foram confeccionadas em acrílico de modo a permitir a observação do processo. Nas colunas de flotação, com capacidade para 2,5 litros, ocorriam os processos de coagulação e floculação através de agitação mecânica, por meio da rotação de pás perpendiculares ao eixo do rotor. A água utilizada nos experimentos era proveniente do Lago Santa Maria, um dos principais mananciais do Distrito Federal. Por suas características (baixa turbidez, levemente ácida e baixo teor de salinidade) esta água, quando enriquecida de nutrientes, oferece condições favoráveis ao florescimento de algas. De acordo com dados da Companhia de Água e Esgotos de Brasília - CAESB, a concentração de algas (em termos de clorofila-a) varia de 2 a 15 µg/l, chegando, em períodos específicos, a atingir valores superiores a 2 µg/l. Na época de realização dos experimentos, contudo, os teores de clorofila não excederam a 7 µg /l. Neste período a turbidez variou de 2, a 4, ut; o valor do ph de 5,7 a 6,1; e, cor aparente permaneceu em torno de 5 uc. Em função dos objetivos deste trabalho, a pesquisa foi dividida em dois grupos. Assim, no primeiro grupo de testes para cada valor de ph a ser investigado (ph=5, ph=6 e ph=7) variou-se a dosagem de coagulante na faixa de a mg/l de sulfato de alumínio (Al 2 (SO 4 ) 3 17 H 2 O), utilizando-se um tempo de floculação de 1 minutos. Para o controle do ph foi utilizado o bicarbonato de sódio e ácido clorídrico. No segundo grupo de testes, para cada valor de ph pesquisado no grupo anterior, selecionou-se duas dosagem de coagulante, uma na faixa ótima e outra fora desta, e fez-se variar tempos de floculação (, 5, 1, 15 e 2 minutos). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1568

4 Em todos os experimentos foram mantidos constantes os seguintes parâmetros: 1 minuto de mistura rápida com gradie nte de velocidade de cerca de s -1, gradiente de velocidade na floculação em torno de 3 s -1, pressão de saturação de KPa e razão de reciclo de 1%. Para avaliação da eficiência da flotação foram construídas as curvas de flotação, seguindo metodologia descrita por Reali e Gianotti (1993). Nesta metodologia, análoga àquela usualmente utilizada para obtenção das curvas de sedimentação, amostras de água são coletadas numa determinada altura da coluna de flotação em intervalos de tempo prédeterminados. Para cada amostra, a qualidade da água é analisada e é correlacionada com a velocidade de flotação. No presente trabalho, as amostras foram coletadas a 46 cm do fundo da coluna, em intervalos de tempo capazes de propiciar velocidades ascensionais, que podem ser relacionadas com a taxa de aplicação, na faixa de 4 a 7 cm/min. Para cada amostra coletada, a turbidez residual era determinada. Ao final de cada experimento, uma amostra da água clarificada era coletada para a determinação da eficiência de remoção de algas (clorofilaa) pelo processo de flotação. RESULTADOS No primeiro grupo de testes, onde foram avaliadas a influência do ph e a variação de dosagem de coagulante, obteve-se os resultados que são descritos a seguir. Nos testes com ph=5, verificou-se a predominância do mecanismo de coagulação de adsorção-neutralização de cargas, uma vez que a formação dos flocos caracterizou-se por uma fase de desestabilização seguida de reestabilização das partículas, observada através de avaliação visual da formação de flocos. As melhores eficiência de remoção de turbidez foram obtidas na faixa de 1 a 3 mg/l, atingindo valores de 7 a % (figura 1). Remoções desta ordem foram obtidas sob condições de velocidades ascensionais de até 3 cm/min, o que significa uma taxa de aplicação superficial de 45 m 3 /m 2.d. Com relação aos ensaios realizados com ph=6, na faixa de a 6 mg/l de coagulante, os resultados indicam claramente a predominância do mecanismo de adsorção-neutralização de cargas. Entretanto, acima desta dosagem, até o limite que foi testado nestes experimentos ( mg/l), observa-se uma pequena melhora na remoção de turbidez, possivelmente devido a uma faixa de transição entre a predominância do mecanismo de adsorção-neutralização de cargas e o de varredura (figura 2). A faixa ótima de dosagem ficou entre 5 e 15 mg/l de sulfato de alumínio, onde verificou-se remoções de até 85% de turbidez para velocidades ascensionais inferiores a 2 cm/min, ou seja, taxa de aplicação de cerca de 3 m 3 /m 2.d. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1569

5 Figura 1 - Eficiência de FAD na variação de dosagem para ph = 5. 1 fração remanescente (%) velocidade (cm/min) mg/l 5 mg/l 1 mg/l 3 mg/l mg/l mg/l Figura 2 - Eficiência de FAD na variação de dosagem para ph = 6. Turbidez remanescente (%) Velocidade (cm/min) 5 mg/l 1 mg/l 15 mg/l 2 mg/l 6 mg/l mg/l Figura 3 - Eficiência de FAD na variação de dosagem para ph = 7. 1 fração remanescente (%) velocidade (cm/min) mg/l 1 mg/l 2 mg/l 3 mg/l mg/l 6 mg/l 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 157

6 Nos testes em que foi utilizado ph=7, a ausência da fase de reestabilização e a formação de flocos cada vez mais volumosos, indicam a predominância do mecanismo de varredura. Observou-se que as maiores eficiências de remoção de turbidez (65 a 75%) ocorreram na faixa de 2 a mg/l de coagulante (figura 3). Para dosagens superiores, a eficiência diminuiu, provavelmente, devido ao aumento da densidade dos flocos formados. A velocidade ascensional em que foi obtido os melhores resultados foi de 17 cm/min, aproximadamente 2 m 3 /m 2.d. A otimização do ph de coagulação e da dosagem de coagulante foi objeto de uma pesquisa realizada por Edzwald e Wingler (199), no qual testaram a utilização de coagulante a base de alumínio para duas faixas de ph onde eram observados a predominância de mecanismos de coagulação distintos. Estes autores concluíram que, quando se trabalha com o mecanismo de varredura, necessita-se de dosagens mais elevadas do que quando se tem o mecanismo de adsorsão e neutralização de cargas e que melhores eficiências de remoção de turbidez foi possível obter para valores de ph reduzidos. Estas conclusões são apresentadas em diversas pesquisas, podendo citar: Malley e Edzwald (1991), Gehr et al. (1993), Reali e Gianotti (1993), Vlaski et al., 1996b, entre outros. No que diz respeito à remoção de algas, observou-se que para todos os valores de ph testados e nos ensaios em que a dosagem de coagulante propiciou a formação de flocos, foi possível obter elevados níveis de remoção de algas, em termos de clorofila-a, atingindo em casos específicos remoções próximas de %. Comprovando a alta eficiência de remoção de algas por FAD que é relatado em diversas pesquisas (Edzwald e Wingler, 199; Gehr et al., 1993; Janssens e Buekens, 1993; Reali e Gianotti, 1993; Edzwald, 1993; Vlaski et al., 1996a). Para o segundo grupo de ensaios foi avaliada, para cada valor de ph, a variação do tempo de floculação utilizando-se duas dosagens de coagulante, sendo uma dentro da faixa ótima de eficiência (2 mg/l) e outra fora (6 mg/l). Nos ensaios com ph=5, onde foi verificada a predominância do mecanismo de coagulação de adsorção-neutralização de cargas, observa-se que o aumento do tempo de floculação, dentro do intervalo de a 2 minutos, leva a uma melhoria na eficiência da flotação, em ambas as dosagens estudadas (figuras 4 e 7). Os resultados obtidos, entretanto, indicam que o impacto do tempo de floculação na eficiência da flotação varia com a dosagem de coagulante, ou seja, o acréscimo percentual de remoção entre os tempos testados para a dosagem dentro da faixa ótima é menos acentuado que o observado para dosagem mais elevada. Desta forma, a melhoria entre as remoções dos ensaios sem floculação e com tempo de floculação de 2 minutos para dosagem de 2 mg/l é de 12%, enquanto que para a dosagem de 6 mg/l a diferença é superior a 7%. Quando se variou o tempo de floculação para a dosagem ótima do ph=6, foi possível observar que a melhor eficiência foi obtida para o tempo de floculação de 1 minutos (figura 5). Comparando esses resultados com os da figura 8 (dosagem fora da faixa ótima), observa-se que o tempo de floculação de 15 minutos apresentou melhor eficiência. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1571

7 Provavelmente, essa diferença ocorre devido ao processo de formação dos flocos, assim, na dosagem ótima tem-se flocos com características que permitem atingir o tamanho apropriado para FAD com apenas 1 minutos, enquanto que para a dosagem fora da ótima tem-se flocos menores, que necessitam de mais tempo para chegarem ao tamanho ideal. Talvez, poder-se-ia obter a mesma eficiência para as duas dosagens, com a diferença de que o tempo de detenção no floculador seria maior para a maior dosagem, entretanto do ponto de vista econômico seria mais vantajoso usar a dosagem ótima e um menor tempo de floculação, uma vez que isto significa menores gastos com produtos químicos, energia e menores dimensões para os floculadores. Os resultados obtidos para diferentes tempos de floculação sob condições de ph=7, onde predominou o mecanismo de coagulação de varredura, mostraram que as eficiências foram muito próximas entre si, sendo que a melhor remoção de turbidez foi obtidas sem floculação (figuras 6 e 9). Com a introdução da floculação, foi possível observar que baixos tempos de floculação apresentaram uma ligeira queda de rendimento, mas com tendência a melhora, atingindo maior remoção com 15 minutos de floculação, a partir do qual a eficiência começa a cair. O impacto da variação deste tempo não é muito significativo para as duas dosagens testadas, atingindo diferenças entre o melhor e o pior resultado de 1 a 14%. Com relação ao aspecto do tempo de floculação na eficiência da FAD, Edzwald e colaboradores (Edzwald e Wingler, 199; Malley e Edzwald, 1991a; Malley e Edzwald, 1991b; Edzwald et al., 1992; Valade et al., 1996) defendem que tempos de floculação reduzidos são suficientes para promover a eficiência da FAD, apesar de em alguns casos tempos maiores mostrarem uma pequena melhora de eficiência (Valade et al., 1996). Outros autores sugerem tempos de 1 a 2 minutos para se obter o máximo de eficiência na FAD (Reali e Gianotti, 1993; Vlaski et al., 1996b). Neste segundo grupo de testes, novamente constatou-se elevado grau de remoção de algas, quando se trabalhou dentro da faixa ótima de dosagem para quaisquer valores de ph avaliados e em todos os tempos de floculação testados. Diversas pesquisas, entre elas a de Valade et al. (1996), Vlaski et al. (1996a), mostram que a FAD é um processo de tratamento bastante robusto em eficiência de remoção de algas e/ou turbidez, mesmo com alterações consideráveis nos parâmetros de pré-tratamento. Figura 4 - Eficiência da FAD com a variação do tempo de floculação para a dosagem ótima do ph = o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1572

8 1 fração remanescente (%) velocidade (cm/min) min 5 min 1 min 15 min 2 min 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1573

9 Figura 5 - Eficiência da FAD com a variação do tempo de floculação para a dosagem ótima do ph = 6. 1 Fração remanescente(%) Velocidade (cm/min) min 5 min 1 min 15 min Figura 6 - Eficiência da FAD com a variação do tempo de floculação para a dosagem ótima do ph = 7. 1 fração remanescente (%) velocidade (cm/min) min 5 min 1 min 15 min 2 min Figura 7 - Eficiência da FAD com a variação do tempo de floculação para a dosagem fora da ótima do ph = 5. 1 fração remanescente (%) velocidade (cm/min) min 5 min 1 min 15 min 2 min 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1574

10 Figura 8 - Eficiência da FAD com a variação do tempo de floculação para a dosagem fora da ótima do ph = 6. Fração remanescente (%) Velocidade (cm/min) min 5 min 1 min 15 min Figura 9 - Eficiência da FAD com a variação do tempo de floculação para a dosagem fora da ótima do ph = 7. 1 fração remanescente (%) velocidade (cm/min) min 5 min 1 min 15 min 2 min CONCLUSÕES Os resultados obtidos mostram que, para águas de baixa turbidez e presença de algas, elevadas eficiências de remoção podem ser conseguidas com o uso da FAD e que eficiências similares podem ser obtidas para diferentes valores de ph, desde que se trabalhe na faixa ótima de dosagem de coagulante. Os resultados indicam que, para cada valor de ph testado, foi possível verificar um tempo de floculação ótimo, no qual as remoções foram maiores e observou-se que, com o aumento do ph de coagulação, este tempo de floculação ótimo tornou-se cada vez menor. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1575

11 Os resultados sugerem que eficiências de remoção elevadas podem ser obtidas com taxas de aplicação superficial maiores quando se utilizam valores de ph mais baixos. Esta observação necessita ainda de uma investigação mais aprofundada. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1576

12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BRANDÃO, C.C.S., LACERDA, M.R.S., ABREU, M.C. Influência do tempo de floculação na filtração direta de águas com baixa turbidez e teor elevado de algas. Anais do VII Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, de março, vol. V, pp , Lisboa, Portugal, COSTA, J., LACERDA, M.R.S., BRANDÃO, C.C.S. Influência da floculação na remoção de algas pelo processo de filtração direta. Anais da 47 a Reunião Anual da Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência - UFMA, 9-14 de julho, vol. II, p. 48, São Luís-ma, Brasil, EDZWALD, J.K., WINGLER, B.J. Chemical and physical aspects of dissolved air flotation for the removal of algae. Jour. Water SRT - Aqua, v.39, pp , EDZWALD, J.K., WALSH, J.P., KAMINSKI, G.S., DUNN, H.J. Flocculation and air requirements for dissolved air flotation. Jour. AWWA, v.84, n.3, pp. 92-, EDZWALD, J.K. Algae, bubbles, coagulants, and dissolved air flotation. Water Science & Technology, v.27, n.1, pp , GEHR, R., SWARTZ, C., OFFRINGA, G. Removal of Trihalomethane precursors from eutrophic water by dissolved air flotation. Water Research, v.27, n.1, pp , JANSSENS, J.G., BUEKENS, A. Assessment of process selection for particle removal in surface water treatment. Jour. Water SRT - Aqua, v.42, n.5, pp , LACERDA, M.R.S., COSTA, J., BRANDÃO, C.C.S. Eficiência da filtração direta no tratamento de águas com elevadas concentrações de algas. Anais da 46 a Reunião Anual da Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência - UFES, Vitória-ES, Brasil, MALLEY, J.P., EDZWALD, J.K. Concepts for dissolved-air flotation treatment of drinking waters. Jour. Water SRT - Aqua, v., n.1, pp. 7-17, 1991a. 1. MALLEY, J.P., EDZWALD, J.K. Laboratory comparison of DAF with conventional treatment. Jour. AWWA, v.83, n.9, pp , 1991b. 11. REALI, M.A.P., GIANOTTI, E.P. Remoção de algas por flotação: testes de laboratório. Anais do XVII Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, v.ii, pp Natal-RN, Brasil, VALADE, M., EDZWALD, J.K., TOBIASON, J.E., DAHLQUIST, J., HEDBERG, T., AMATO, T. Particle removal by flotation and filtration: pretreatments effects. Jour. AWWA, v.88, n.12, pp , VLASKI, A., VAN BREEMEN, A.N., ALAERTS, G.J. The algae problem in the Netherlands from a water treatment perspective. Jour. Water SRT - Aqua, v.45, n.4, pp , 1996a. 14. VLASKI, A., VAN BREEMEN, A.N., ALAERTS, G.J. Optimisation of coagulation conditions for the removal of cyanobacteria by dissolved air flotation or sedimentation. Jour. Water SRT - Aqua, v.45, n.5, pp , 1996b. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1577