APLICAÇÃO DO PROCESSO DE ELETROCOAGULAÇÃO/FLOTAÇÃO PARA REUSO DE ÁGUA PLUVIAL

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1 ID Nº 251 APLICAÇÃO DO PROCESSO DE ELETROCOAGULAÇÃO/FLOTAÇÃO PARA REUSO DE ÁGUA PLUVIAL Endrew Henrique de Sousa Carvalho 1 ; Renata Medici Frayne Cuba 1 ; Ricardo Valadão de Carvalho 1 ; Enes Gonçalves Marra 2 1 Escola de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade Federal de Goiás (UFG). Av. Universitária, 1488, Q. 86, L. Área - Setor Universitário-Goiânia GO. carvalhoendrew@gmail.com 2 Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação, Universidade Federal de Goiás (UFG). Av. Universitária, 1488, Q. 86, L. Área - Setor Universitário-Goiânia GO. RESUMO A eletrocoagulação de matrizes aquosas vem ganhando considerável atenção devido a versatilidade e bons resultados obtidos com essa tecnologia. No presente estudo foi avaliado o grau de tratabilidade de água de chuva por meio de eletrocoagulação em reator cilíndrico com eletrodos de alumínio. O procedimento experimental foi conduzido em reator em escala-piloto, operado em fluxo contínuo com tempo de detenção hidráulica de 100 segundos, operando com a densidade de corrente de 12,3 ma.cm -2. Foi utilizada uma bomba centrífuga com vazão de 0,0198 L.s -1. O fluxo de escoamento adotado foi ascendente, de modo a promover a flotação de poluentes por meio do arraste garantido pelo fluxo de escoamento e da formação de microbolhas no eletrodo. O reator foi construído com tubo de acrílico nas dimensões de 8 cm de diâmetro e 60 cm de altura, sendo os eletrodos feitos com tubo de alumínio com 15 cm de altura e diâmetro externo de 2,7 cm o ânodo e 3,8 cm o cátodo, ambos com espessura de 0,3 cm. Para avaliar o grau de tratabilidade da água de chuva foram realizadas análises de ph, turbidez, cor, cloretos, sílica, dureza, alcalinidade, condutividade, sólidos suspensos e dissolvidos e demanda química de oxigênio. As amostragens foram realizadas em 3 etapas, a cada 2 minutos, com intuito de verificar a homogeneidade no tratamento de acordo com o tempo. Os resultados foram comparados ABNT NBR 15527, a Portaria 2914 e a norma da ASME para água de caldeiras, sendo que com exceção do parâmetro Dureza, os demais atenderam as normas. Tais resultados mostraram o custo benefício da eletrocoagulação/flotação, que apresentou o gasto de R$ 0,30 por metro cúbico de água tratada. Palavras-chave: Eletrocoagulação/flotação, água pluvial, reuso de água

2 INTRODUÇÃO O Brasil é o país com a maior reserva de água doce do mundo, e esse dado remete a ideia de abundância que vem sendo levada de forma irresponsável em relação a conservação dos recursos hídricos. Essa reserva, além de não ser uniforme, localizando-se majoritariamente na região amazônica, é influenciada pelo regime de chuvas. A região Nordeste, tradicionalmente enfrenta um regime seca, e de forma eventual, outras regiões são afetadas, como o Sudeste que em 2014 enfrentou uma grave crise hídrica, como discutido por Martins [1], servindo de alerta a falta de gestão relacionada ao planejamento e desperdício de água no estado de São Paulo. Quando a água é utilizada para alguma atividade antrópica, seja no uso doméstico, industrial ou agrícola, suas características naturais são alteradas. A água, desde sua captação, passando pelo tratamento para adequação de uma finalidade, até o destino do efluente gerado, demandam investimentos elevados, podendo causar problemas no ecossistema devido a esse manejo de grandes volumes. A água de origem pluvial passa por um processo de tratamento natural através da evaporação, onde os sólidos dissolvidos e outros compostos são separados pela mudança de fase. Na precipitação, dependendo da região, gases poluentes e partículas podem aderir a água. Observando os gastos envolvidos no manejo das águas subterrâneas e superficiais, e em vista dos elevados índices pluviométricos, a água da chuva apresenta-se como uma alternativa viável, pois sua captação é menos honrosa que a demais fontes, podendo ser coletada do telhado de industrias ou casas. Dependendo do uso a que se destina, a água deve passar por um tratamento para obter os parâmetros adequados para cada finalidade. Normalmente, processos físico-químicos como a coagulação, flotação e filtração que são utilizados, sendo as combinações de tratamento variadas. A eletrocoagulação/flotação (ECF) é um método de tratamento que associa três tecnologias, a flotação, coagulação e eletroquímica. Faz uso de no mínimo um par de eletrodos, constituídos por chapas metálicas, em geral de alumínio ou ferro, sendo conectados em uma fonte elétrica, sendo a parte positiva chamada de ânodo e a negativa de cátodo. Quando essas chapas estão imersas em uma solução, chamada de eletrólito, um fluxo de elétrons é formado pela diferença de potencial entre as chapas, saindo do ânodo em direção ao cátodo, e devido a esse fluxo, uma série de reações eletroquímicas são formadas. Segundo Kobya et al. [2] as principais reações

3 eletroquímicas são a liberação do cátion metálico do ânodo na solução,representado pela equação 1, e da evolução do gás hidrogênio no cátodo, representado pela equação 2. Al Al e - Ânodo (1) 3 H2O + 3e - (3/2) H2 + 3 OH Cátodo (2) Os íons Al 3+ se dissolvem e combinam com íons hidroxílicos presentes na solução, formando hidróxidos metálicos, que são parcialmente solúveis na água em determinadas faixas de ph, o que resulta na remoção de partículas coloidais pelos hidróxidos metálicos, dando origem aos flocos. Os flocos possuem uma grande área de superfície específica que pode absorver alguns compostos orgânicos solúveis na sua superfície[2]. Esses hidróxidos metálicos são os responsáveis pela coagulação, que vai aderindo os poluentes e sólidos presentes, formando os flocos. E devido a evolução do gás hidrogênio, ocorre o processo da flotação, que leva os flocos para superfície do líquido, pelo arraste promovido pelas bolhas. A ECF é uma técnica eficiente, uma vez que a adsorção de hidróxido em superfícies minerais é 100 vezes maior em 'in situ' do que em hidróxidos pré-precipitados quando hidróxidos metálicos são usados como coagulantes, removendo assim partículas coloidais menores de forma mais eficiente em comparação com as técnicas químicas e biológicas convencionais, porque as partículas carregadas menores têm maior probabilidade de serem coaguladas pelo campo elétrico que as coloca em movimento[3]. A eletrocoagulação/flotação vem sendo estudada a mais de cem anos, o primeiro registro do uso da tecnologia eletroquímica data 1889 [4], e com o avanço da geração de energia elétrica, associado a demanda por tecnologias mais eficientes em termos de tempo, uso de área e remoção de poluentes, o número de estudos desse processo vem crescendo e sendo aperfeiçoado. Moussa et al. [5] fizeram um levantamento das produções cientificas que avaliaram a ECF nas mais variadas matrizes, podendo serem destacados Khaled et al. [6] que obtiveram remoção de 100% de cadmio em 5 minutos de tratamento com gasto de 1.6 kwh m 3 [7], que convertendo para reais considerando que o kwh no estado de Goiás para industrias custa R$ 0,42015, gastou-se R$ 0,67 para tratar 1000 L de efluente tais dados demonstram a relação custo benefício da tecnologia. Hakizimana et al. [8] realizou uma revisão na literatura que demonstrou uma relativa falta de dados a cerca da concepção dos reatores de ECF e de sua expansão. As células ECF típicas foram revistas por Mollah et al. [3] e não mudaram significativamente na última década. Na prática, as células retangulares ainda dominam, com eletrodos retangulares planares, sendo o projeto mais comum em aplicações típicas a célula de placa vertical

4 aberta, geralmente seguida por um decantador. Os estudos com eletrodos cilíndricos são limitados, sendo que até em reatores verticais cilíndricos, geralmente são usados eletrodos planares. Por uma questão de ocupação de área, a verticalização é uma tendência, que já é observada na engenharia civil no campo habitacional, e que vem ganhando força principalmente na indústria por otimizar o espaço, trazendo custo benefício as empresas. A legislação relacionada ao reuso de água, principalmente pluvial, ainda é muito limitada, sendo assim, foram utilizadas a título de comparação dos resultados a norma da ABNT NBR 15527, que foi uma das pioneiras a tratar dessa temática, a Portaria 2914 que dispõe dos parâmetros de qualidade de água para consumo, e as especificações da American Boiler and Affiliated Industries Manufactures Association s que trata da qualidade da água destinada ao uso em caldeiras a vapor, como alternativa ao reuso da água pluvial. OBJETIVO Esse trabalho teve por objetivo construir um reator vertical de eletrocoagulação/flotação com intuito de tratar água pluvial possibilitando seu reuso. Grande parte dos trabalhos desenvolvidos com eletrocoagulação/flotação aplicam o método para tratar efluentes, tendo esse artigo o intuito de demonstrar a possibilidade de tratar outras matrizes. MATERIAIS E MÉTODOS O reator de eletrocoagulação foi feito em tubo de acrílico de 80 mm de diâmetro com 60 cm de altura, onde foi fixado em uma mesa metálica quadrada de 30 cm de aresta, com 50 cm de altura. Os eletrodos usados foram tubos de alumínio de 1" e 1,5" de diâmetro por 15 cm de comprimento, sendo os mesmos dispostos em um adaptador com flanges e cap de pvc de 50". A figura 1 apresenta uma foto do reator usado.

5 Figura 1: Reator vertical de eletrocoagulação/flotação O procedimento experimental foi conduzido em escala-piloto em fluxo contínuo com tempo de detenção hidráulica de 100 segundos, operando com a densidade de corrente de 12,3 ma.cm -2, sendo os eletrodos ligados a uma fonte de tensão da marca Minipa modelo MPL Foi utilizada uma bomba centrífuga da marca GM 12 V com vazão de 0,0198 L.s- 1, controlada por uma fonte de tensão da marca Minipa modelo MPL-3305 onde a mesma teve o intuito de promover a equalização da vazão de entrada e saída do reator. O fluxo de escoamento adotado foi ascendente, de modo a promover a flotação de poluentes por meio do arraste garantido pelo fluxo de escoamento e da formação de microbolhas no eletrodo. A Figura 2 representa um corte transversal da estrutura do eletrodo, em que o afluente é injetado em um tubo, que leva a água para uma câmara interna, dentro do cap de pvc. Dessa câmara a água passa pelos eletrodos, sendo o ânodo o cilindro interno e o cátodo o cilindro de alumínio externo direcionando a água para o tubo de acrílico. Os eletrodos são conectados por fios de alumínio ligados em dois pinos também de alumínio, que possuem contato com o lado externo do reator, onde são ligados a fonte elétrica de alimentação. A parte interna do ânodo é vedada, de forma que não há entrada de água.

6 Figura 2: Corte transversal da estrutura do eletrodo. A água usada no tratamento foi obtida durante uma precipitação na cidade de Goiânia no mês de abril, época que se inicia o período de estiagem como apresentado no relatório climático de Farias [9], sendo a mesma coletada por uma calha que a direcionava a um reservatório. O afluente foi condicionado em um tubo de vidro com volume de 13 litros, sendo ligado a bomba centrifuga que injetava a água pelo cap de pvc, direcionando para os eletrodos. Os parâmetros físico-químicos avaliados para verificar a qualidade da água pluvial estão contidos na tabela 1 com suas respectivas metodologias. Tabela 1: Parâmetros avaliados e metodologia utilizada. PARÂMETROS ph METODOLOGIA SMWW 4500H+B* Demanda Química de Oxigênio () SMWW 5220 D* Turbidez (NTU) SMWW 2130 B* Cor Aparente (uh) SMWW 2120C* Sólidos Suspensos () SMWW 2540 D* Sólidos Dissolvidos () SMWW 2540 C * Dureza () SMWW 2340 C* Sílica () SMWW 4500-SiO 2 C* Alcalinidade () SMWW 2320 B*

7 Condutividade () SMWW 2510 B * Cloretos () SMWW 4500 Cl - B* *APHA (2012)[17]. Foram retiradas 3 amostras com o intervalo de 2 minutos sendo verificado qual a porcentagem de remoção e a homogeneidade do tratamento em fluxo continuo através do cálculo do desvio padrão dos resultados. Os resultados foram comparados com a norma ABNT NBR [16 ], Portaria 2914 [17 ] e ASME apresentado por Frayne [10]. O consumo de energia está relacionado com a intensidade de corrente utilizada, condutividade do efluente, espaçamento e passivação dos eletrodos. De acordo com Kobya et al. [2], o consumo de energia em um reator batelada pode ser calculado utilizando-se a equação (1) adaptada. C = U.i.t (3) 1000.v Sendo C o consumo de energia (em KWh), U a tensão elétrica aplicada ao processo em Volts (V), i a corrente elétrica aplicada (em A), t o tempo de aplicação da corrente ou tempo de processo (h), e o v o volume tratado em m 3. RESULTADOS A Figura 3 apresenta o funcionamento do reator podendo ser observada as microbolhas que são formadas pela evolução do gás hidrogênio apresentada na equação 2. O alumínio do eletrodo que vai sendo dissolvido promove a coagulação e formação dos flocos, que são flotados, podendo ser observados na parte superior do reator, pela formação de uma escuma.

8 Figura 3: Reator de ECF em funcionamento. A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos com os parâmetros avaliados e a porcentagem de remoção média após 2 minutos de tratamento. Tabela 2: Resultados dos parâmetros avaliados e a porcentagem de remoção média com o tratamento. PARÂMETROS AMOSTRA BRUTA REMOÇÃO MÉDIA (%) ph 7,88 8,15 8,2 8,2 * Demanda Química de Oxigênio () 45,2 11,25 12,11 11,3 74,44 Turbidez (NTU) 7,8 4,4 4,3 4,2 44,87 Cor aparente (uh) 16,7 9,8 9,5 9,6 42,32 Sólidos Suspensos () Sólidos Dissolvidos () 18 17,8 17,7 17,7 1,48 Dureza () ,93 Sílica () 0,3 0,2 0,2 0,2 33,33 Alcalinidade () ,00 Condutividade (µs/cm) 39,3 39,3 39,1 39,0 0,42 Cloretos () 3,5 3,5 3,5 3,5 0,00 *Não se aplica Os parâmetros físico-químicos cloretos, condutividade, alcalinidade, sólidos dissolvidos e sílica não apresentaram variação significativa em termos de concentração comparando

9 a amostra bruta com as tratadas. A condutividade é um parâmetro importante no tratamento eletrolítico pois segundo Danesvhar [11] está diretamente relacionada a eficiência da corrente, tensão da célula e o consumo de energia elétrica, recomendando assim o uso de cloreto de sódio (NaCl). Nesse trabalho testou-se o tratamento sem a adição de NaCl com o intuito de manter as características naturais da água. A condutividade da água pluvial foi de 39,3 µs/cm, bem a baixo das condutividades usadas em outros trabalhos, que estão acima de 1000 µs/cm [12,13,14], que trabalharam com água para consumo. Observando os demais parâmetros, como a demanda química de oxigênio, turbidez, cor aparente e sólidos suspensos constatou-se que a baixa condutividade não foi empecilho pois obteve-se bons resultados, principalmente na remoção de matéria orgânica (DQO) e sólidos suspensos, que atingiram 74,44% e 100%, respectivamente. A Figura 4 apresenta a diferença do aspecto visual da água bruta para a tratada. Como a coleta foi realizada no mês de abril, época de chuvas espaçadas, as quantidades de detritos aumentam no telhado, podendo serem observados na imagem. Figura 4: Aspecto visual da água pluvial antes e após o tratamento. O tratamento apresentou remoção de 9,93% de dureza, que pode ser considera baixa quando comparado com trabalhos como de Zhao et al. [15], que obtiveram 85,81%. Segundo Hakizimana et al.(2015), a literatura indica que a ECF é eficiente para remoção de dureza, o que pode ser identificado como contraponto para avaliação da remoção desse

10 ph Demanda Química de Oxigênio Turbidez cor aparente Sólidos Suspensos Sólidos Dissolvidos Dureza Sílica Alcalinidade Conditividade Cloretos parâmetro é que o tempo de tratamento foi de 30 minutos [15], bem superior aos 2 minutos avaliados neste, e como a densindade de corrente foi inferior (5.90 ma/cm 2 ) a que foi utilizada neste trabalho (12,3 ma.cm -2 ), o tempo pode ser considerado o principal fator. A Figura 5 apresenta um gráfico mostrando a homogeinidade do tratamento continuo proposto, em que o desvio padrão maior foi na análise de DQO, sendo de cerca de 0,48, comparando as 3 amostras, que é inferior ao desvio padrão apresentado pelo método contido no APHA [18], que apresenta 11, concluindo assim que houve homogeneidade no decorrer do tratamento continuo para faixa de tempo total estudado. σ = 0,00 σ = 0,15 σ = 0,03 σ = 0,48 σ = 0,10 NTU σ = 0,15 uh σ = 0,00 σ = 0,06 σ = 0,00 σ = 0,00 σ = 0,00 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Figura 5: Comparação do desvio padrão dos resultados. Para fazer um contraponto entre os resultados obtidos com a caracterização da água pluvial bruta e tratada, a Tabela 2 os compara com a norma ABNT NBR [16], a Portaria 2914 [17], e os padrões gerais estipulados pela ASME apresentados por Frayne [10], indicando se atende os valores preconizados.

11 Tabela 2: Comparação dos parâmetros analisados entre as normas. PARÂMETROS RESULTADOS ABNT NBR Água Bruta (B) Água Tratada (T) Atende? Portaria Atende? Atende? ASME 2914 (B) (T) (B) (T) (B) (T) ph 7,88 8,3 6,0-8,0 Sim Sim 6,0-9,5 Sim Sim 8,3-10,5 Sim Sim Demanda Química de Oxigênio () 45,2 13,3 * * * * * * * * * Turbidez (NTU) 7,8 4,2 < 5 Não Sim < 5 Não Sim * * * Cor Aparente (uh) 16,7 9,6 < 15 Não Sim < 15 Não Sim * * * Sólidos Suspensos () 45 1 * * * * * * * * * Sólidos Dissolvidos () 18 17,7 * * * < 1000 Sim Sim < 300 Sim Sim Dureza () * * * < 500 Sim Sim < 15 Não Não Sílica () 0,3 0,2 * * * * * * < 150 Sim Sim Alcalinidade () * * * * * * < 450 Sim Sim Condutividade () 39,3 39,3 * * * * * * < 3500 Sim Sim Cloretos () 3,5 3,5 * * * < 250 Sim Sim < 300 Sim Sim *Não preconizado (B): Água Bruta (T): Água Tratada A água pluvial tradada atendeu praticamente as três normas, com exceção do parâmetro dureza para a ASME. Recomenda-se um tempo maior de tratamento se o reuso da água for destinado a caldeiras, com intuito de corrigir esse parâmetro. Em relação a Portaria 2914 (2011), os parâmetros analisados atenderam a norma, porém, como não foram avaliados os parâmetros microbiológicos a mesma foi citada apena a título de comparação, não sendo recomendado o uso para fins potáveis, a não ser que todos os parâmetros contidos na Portaria sejam avaliados. O tratamento atendeu a norma ABNT NBR que trata do reuso da água de chuva para fins não potáveis. O gasto de energia elétrica foi calculado de acordo com a equação 3 onde observe-se 0,757 kwh/m 3 gastos, e considerando o kwh para indústria de R$ 0,42015 CELG [7], o gasto foi de R$ 0,30. Utilizando a mesma equação para calcular o gasto da bomba centrifuga, obteve-se 1,51 kwh/m 3, contabilizando R$ 0,63. O gasto total do processo foi de R$ 0,93, devendo destacar que a eletrocoagulação gastou a metade da energia elétrica que a bomba centrífuga usou, dispositivo este que está presente na grande maioria das estações de tratamento de água e esgoto.

12 CONCLUSÃO A verticalização de reatores de tratamento é uma alternativa econômica e ambiental que deve ser estudada e considerada, pois incentiva as empresas a fazerem sua obrigação ambiental, de forma a não ocupar grandes áreas, mantendo a relação custo benefício balanceada com a responsabilidade ambiental. A eletrocoagulação/flotação é uma tecnologia que devido ao uso de energia elétrica não é considerado como escolha viável como opção de método de tratamento. Mas como foi observado nesse trabalho, e em tantos outros, a ECF apresenta boa eficiência, e baixo gasto energético, quando comparado a um equipamento comum em estações de tratamento, como as bombas centrifugas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária (PPGEAS-UFG) e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás (FAPEG) pelo apoio à pesquisa. REFERÊNCIAS [1] MARTINS, P. Sistema Cantareira e a crise da água em São Paulo: A falta de transparência no acesso à informação. Department for International Development, Article 19, [2] KOBYA, M. et al. Treatment of potato chips manufacturing wastewater by electrocoagulation. Desalination, v. 190, n. 1 3, p , [3] MOLLAH, M. Y. A. et al. Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation. Journal of Hazardous Materials, v. 114, n. 1 3, p , [4] COMNINELLIS, C. CHEN, G. Electrochemistry for the environment. Springer, New York, pp , [5] MOUSSA, D. T. et al. A comprehensive review of electrocoagulation for water treatment: Potentials and challenges. Journal of Environmental Management, v. 186, p , [6] KHALED, B. et al. Investigation of electrocoagulation reactor design parameters effect on the removal of cadmium from synthetic and phosphate industrial wastewater. ARABIAN JOURNAL OF CHEMISTRY, 2015.

13 [7] CELG. Tarifa 2017, Disponível em: < /paginas/institucional/tarifa_2017.pdf/>. Acesso em: 18 de Jul [8] HAKIZIMANA, J. N. et al. Electrocoagulation process in water treatment: A review of electrocoagulation modeling approaches. Desalination, v. 404, p. 1 21, [9] FARIAS, S. Análise Climática Para Goiânia Outono De CLIMAGEO IESA/UFG, Disponível em: < AN%C3%81L ISE_CLIM%C3%81TICA_pagina_ OUTONO.pdf? />. Acesso em: 18 de Jul [10] FRAYNE, C. Boiler Water Treatment Principles and Practice. Chemical Publishing co. Inc., New York, [11] DANESHVAR, N.; OLADEGARAGOZE, A.; DJAFARZADEH, N. Decolorization of basic dye solutions by electrocoagulation : An investigation of the effect of operational parameters. Journal of Hazardous Materials B129. v. 129, p , [12] HAKIZIMANA, J. N. et al. Assessment of hardness, microorganism and organic matter removal from seawater by electrocoagulation as a pretreatment of desalination by reverse osmosis. Desalination, [13] HASHIM, K. S. et al. Iron removal, energy consumption and operating cost of electrocoagulation of drinking water using a new flow column reactor. Journal of Environmental Management, v. 189, p , [14] HASHIM, K. S.; SHAW, A.; PHIPPS, D. De fl uoridation of drinking water using a new fl ow column- electrocoagulation reactor ( FCER ) - Experimental, statistical, and economic approach. v. 197, p , [15] ZHAO, S. et al. Hardness, COD and turbidity removals from produced water by electrocoagulation pretreatment prior to Reverse Osmosis membranes. Desalination, v. 344, p , [16] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15527: Água de chuva-aproveitamento decoberturas em áreas urbanas para fins não potáveis-requisitos. Rio de Janeiro, p [17] BRASIL.Ministério da Saúde. Portaria nº 2914/MS de [18] APHA., AWWA., WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 22st Edition. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC, USA, 2012.