DETERMINAÇÃO DA GRANULOMETRIA DE AREIAS DE FILTROS INDUSTRIAIS PARA O TRATAMENTO DE ÁGUA

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1 DETERMINAÇÃO DA GRANULOMETRIA DE AREIAS DE FILTROS INDUSTRIAIS PARA O TRATAMENTO DE ÁGUA Resumo: Dada a importância da etapa de filtração em Estações de Tratamento de água, objetivou-se neste trabalho analisar a distribuição granulométrica de amostras de areias empregadas nos filtros de uma indústria de beneficiamento de arroz da Região da Campanha para o tratamento da água de processo. Para realizar uma comparação de resultados, também efetuou-se neste trabalho a análise da distribuição granulométrica de amostras de areias de filtros de piscina. A justificativa para este trabalho está em um futuro estudo da influência da granulometria de areias sobre a eficiência da filtração no tratamento da água de processo, assim como a proposta de melhorias nos filtros da Estação de Tratamento de Água da empresa. Os resultados obtidos na análise granulométrica das amostras de areias demonstraram que todas as amostras de areias analisadas, com exceção da areia de piscina, não apresentam uma granulometria definida, podendo ser considerada como uma mistura de areias de diferentes granulometrias. A atuação do grupo de trabalho promoverá a reavaliação do filtro e seu leito, que compõem a estação de tratamento de águas da referida empresa, propondo melhorias e enfatizando a necessidade da existência de camadas de areia grossa, média e fina com granulometrias bem definidas, buscando melhorias no tratamento de água de processo industrial, atendendo a Legislação vigente. Palavras-chave: Areia, Granulometria,Filtros industriais. DETERMINATION OF PARTICLE SIZE OF SANDS OF FILTERS FOR INDUSTRIAL WATER TREATMENT Abstract: Given the importance of the filtration step in water treatment plants, this study aimed to analyze the particle size distribution of samples of sand filters employed in a rice processing industry of the Region Campaign for the treatment of process water. To compare the results, also made in this work to analyze the particle size distribution of samples of sand pool filters. The rationale for this work is in a future study of the influence of particle size on the efficiency of sand filtration in treatment of process water, as well as the proposed improvements in the filters of the company's Water Treatment Plant. The results of the granulometric analysis of the samples showed that all sand sand samples analyzed, with the exception of the sand pool, do not have a defined particle size, which can be considered as a mixture of sands of different granulometries. The activities of the working group will promote the revaluation of the filter and its bed, which make up the water treatment plant of this company, proposing improvements and emphasizing the need for the existence of layers of coarse, medium and fine sand with well-defined particle sizes, seeking improvements in the treatment of process water, given the current legislation. Keywords: Sand, Grain size, Industrial filters. 1. INTRODUÇÃO A água é um elemento fundamental em praticamente todos os setores industriais e seu tratamento é uma atividade primordial para garantir a qualidade da água. Incentivadas por razões

2 2 econômicas, diversas empresas passaram a conduzir programas de gestão dos seus recursos hídricos, implementando projetos de reuso, redução de perdas e racionalização do uso, obtendo reduções expressivas do consumo de água e dos lançamentos de efluentes líquidos ao meio ambiente. O tratamento de água industrial é um processo de adequação da água bruta, geralmente proveniente de rios, lagos ou barragens, às condições necessárias ao processo. O tratamento da água deve ser orientado por um profissional da área, como um engenheiro químico, engenheiro ambiental, químico ou técnico químico, tomando os cuidados necessários para que os parâmetros biológicos, físicos e químicos sigam a legislação vigente. Especificamente em uma indústria de parboilização de arroz faz-se necessário à obtenção de água de processo que atendam os limites estabelecidos para água potável, pois será utilizada em contato direto com o alimento. Segundo Richter e Netto, 2000, água potável é uma água própria para o consumo humano, cujos parâmetros microbiológicos físicos, químicos e radioativos atendam os padrões de potabilidade e que não ofereça riscos à saúde. Esses padrões de potabilidade podem ser determinados pela Portaria 2914/2011 do Ministério da Saúde. A água possui um importante papel na indústria de parboilização de arroz. A utilização da água na Indústria de Alimentos pode compreender os seguintes usos (Metcalf e Eddy, 1991): a) Consumo humano: água utilizada em ambientes sanitários, vestiários, cozinhas, refeitórios, bebedouros, equipamentos de segurança (hidrante, lava-olhos). b) Encharcamento e Parboilização: utilização da água para encharcar e realizar a parboilização do arroz (pré-cozimento do grão); c) Geração de vapor: a água tratada na ETA (Estação de Tratamento de Água) da empresa segue para caldeiras para ser transformada em vapor. A parboilização do arroz é um processo hidrotérmico no qual o arroz com casca é imerso em água potável numa temperatura acima de 58 ºC, seguidos de gelatinização parcial ou total do amido e secagem (ELIAS et al. 2010). A água utilizada no processo de parboilização é proveniente de uma barragem e precisa passar por um tratamento para se tornar potável e livre de qualquer contaminante que possa interferir no alimento. Para tanto, a empresa contém uma ETA que segue as etapas coagulação, floculação, decantação e filtração. Braga, 2005 define resumidamente as seguintes etapas: Coagulação: onde a água entra nos tanques na sua forma bruta (proveniente das barragens) e recebe uma determinada quantidade de sulfato de alumínio, numa certa agitação, para que se formem flocos aderidos as partículas indesejáveis. Floculação: a água é proveniente da etapa de coagulação. Na floculação adiciona-se um polímero com dose conhecida, para que as partículas sólidas se aglutinem e formem flocos maiores. Essa etapa deve ocorrer sob agitação lenta. Decantação: A água proveniente da floculação é introduzida em decantadores, onde os flocos com impurezas e partículas por ação da gravidade são depositados no fundo, separando-se da água. Filtração: A água proveniente dos decantadores segue para filtros de areia. Filtros de areia consistem, basicamente, em tanques ou reservatórios cilíndricos metálicos ou de poliéster, em cujo interior se coloca espessas camadas de areias, com granulometrias diferentes. Essas camadas devem ser separadas por telas, para que não sejam misturadas durante a filtração. A água passa entre as camadas e é então filtrada. Esses filtros operam pressurizados quando utilizados em grandes empresas, necessitando de dimensionamento mecânico correto, baseado na teoria de vasos de pressão, para evitar a ruptura de suas paredes às pressões de trabalho. Sua função é reter as partículas sólidas que não decantaram, obtendo assim uma água limpa, sem cheiro e pronta para ser utilizada na produção. O desempenho superior do filtro de areia em reter material orgânico, comparado com outros tipos de filtro, se deve a sua capacidade de coletar esses contaminantes ao longo da trajetória percorrida na camada de areia e da possibilidade de acumular grandes quantidades de algas antes de ser necessária a sua limpeza (KELLER e BLIESNER, 1990). Para Haman et al.,1994, a eficiência de filtração dos filtros de areia é medida pela sua capacidade de remover partículas de um determinado tamanho, e seu valor aumenta com a redução da

3 granulometria do elemento. Areias muito grossas podem resultar em filtração ineficiente e permitir o entupimento dos emissores, enquanto areias muito finas podem entupir rapidamente seus poros e requerer retrolavagens frequentes. No Brasil, não existem normas específicas para a caracterização de material filtrante utilizado em filtros de areia, havendo somente a norma EB-2097 (ABNT, 1990), que fixa as condições para recebimento e colocação de areia, antracito e pedregulho como camada suporte em filtros de abastecimento público de água. Para quantificar a granulometria da areia calcula-se o Diâmetro Médio de Sauter. Esse diâmetro é obtido pela divisão da fração mássica da areia retida em uma peneira, com granulometria conhecida, pelo diâmetro da abertura dos poros da peneira (POZZA et al, 2005). Na prática o Diâmetro Médio de Sauter (d S ) representa o tamanho das partículas cuja superfície específica é a média de todas as partículas da amostra e pode ser obtido com a equação 1, a seguir. Onde: d S é o diâmetro médio de Sauter, x i é a fração mássica retida em cada peneira e d i é diâmetro da abertura dos poros da peneira. A filtração é uma operação unitária que consiste na separação de uma fase sólida de uma fase fluida (líquida ou gasosa), passando esta última através de um meio permeável e poroso. O meio poroso denomina-se meio filtrante e tem como função reter a fase sólida. O fluido que passa através do meio filtrante é denominado filtrado (CREMASCO, 2012). A filtração com o uso de sólidos granulares é uma operação unitária de tratamento de águas bastante antiga, inicialmente adotada na remoção de turbidez da água potável. A partir do século XIX, na Europa e nos Estados Unidos, passou a ser aproveitado também na depuração de esgotos. O funcionamento deste sistema baseia-se na separação da fase particulada do afluente e/ou efluente por meio da sua percolação em um leito de granular. Durante a percolação, a purificação ocorre pela retenção da fase particulada do afluente e/ou efluente nos poros interpartículas do leito granular (FOUST et al, 1982). Materiais que podem ser utilizados como meio filtrante (leito granular), conjunta ou isoladamente, são as areias fina, média, grossa, pedregulho ou pedra britada. Os filtros de sólidos granulares devem ser operados de modo a manter os poros interpartículas na condição não saturada. Para tanto, devem ser previstas nas indústrias períodos de intermitência do processo que tem como meta realizar as etapas de limpeza, através da retrolavagem para a remoção da fase particulada retida no meio filtrante, ou até mesmo substituição do meio filtrante quando esses estiverem saturados/degradados e causando um excessivo retardamento na velocidade de filtração do afluente e/ou efluente (GEANKOPLIS, 1998). Segundo Pizarro Cabelo, 1996, o processo de retenção de sólidos suspensos no meio granular ou poroso ocorre por meio de três ações distintas: 1. Peneiramento ou coamento: que é um fenômeno superficial que retém partículas de tamanho superior aos poros. 2. Sedimentação: a passagem da água pelos poros permite que cada espaço poroso funcione como um pequeno decantador, favorecido pela redução da velocidade da água. 3. Adesão e coesão: o contato entre uma partícula em suspensão com o grão do material filtrante ou sedimentos cria forças de atração elétrica, o que explica como os filtros retêm partículas muito menores que o tamanho dos poros. Essas formas de ação do meio poroso na retenção de partículas sólidas são confirmadas por Vermerein e Jobling, 1984, que esclarecem que, durante a passagem da água pela areia, as partículas podem ser absorvidas pelos grãos, aglomerar-se em partículas maiores e depositar-se por processo idêntico à decantação. A importância da definição do valor da vazão que passará através do meio poroso é justificada por Keller e Bliesber, 1990, que afirmam que, para uma dada qualidade de água e tipo de meio poroso, o tamanho das partículas que passam pelo filtro sem serem retidas, aumenta com o aumento da vazão. Vermerein e Jobling, 1984 afirmam que, quanto menor a vazão por unidade de superfície, melhor é o processo de filtração. (1) Pg 3

4 4 Dada a importância da etapa de filtração em ETA s, objetivou-se neste trabalho analisar a distribuição granulométrica de amostras de areias empregadas nos filtros de uma indústria de beneficiamento de arroz da Região da Campanha para o tratamento da água de processo. Também efetuou-se neste trabalho a análise da distribuição granulométrica de amostras de areias de filtros de piscina para uma comparação com os dados obtidos nas análises de distribuição granulométrica das areias dos filtros industriais. A justificativa para este trabalho está em um futuro estudo da influência da granulometria de areias sobre a eficiência da filtração no tratamento da água de processo, assim como a proposta de melhorias que serão implantadas no meio filtrante contido na ETA da referida empresa. 2. METODOLOGIA As amostras de areias utilizadas para o desenvolvimento deste estudo foram uma amostra de filtro areia de piscina, adquirida do mercado local e as demais amostras obtidas em uma indústria de beneficiamento de arroz da Região da Campanha. Dessas amostras obtidas na empresa, uma é de areia saturada (obtida na manutenção dos filtros como areia de descarte, já utilizada no processo de filtração) e as amostras de areias industriais Tipo 1 e Tipo 2 que ainda não foram utilizadas no processo (obtidas no almoxarifado da empresa como areias de reposição). Para a retirada da umidade das areias, todas as amostras foram submetidas à secagem prévia em estufa operando na temperatura de 105,5 C durante o tempo de 24 h, método gravimétrico proposto pela Association of Oficial Analytical Chemists (AOAC, 1997) e amplamente utilizado. Para a obtenção dos dados granulométricos foi usado um agitador eletromagnético de peneiras visualizado na Figura 1 (a) e um conjunto de peneiras (8, 12, 14, 24 e 60 mesh), visualizado na Figura 1 (b) e uma balança analítica, visualizada na Figura 2. Figura 2 Balança Analítica Fonte: Autor. Figura 1 Agitador magnético com conjunto de peneiras Fonte: Autor Para os ensaios de peneiras utilizou-se aproximadamente 500 g de cada amostra de areia, sendo essa massa agitada por um intervalo de tempo de 15 minutos na frequência máxima do

5 5 equipamento. Após a agitação foi desmontado o conjunto de peneiras e realizada a pesagem de cada uma das peneiras, para verificar a fração retida nas mesmas. Os resultados obtidos nos experimentos foram analisados através da curva de análise granulométrica diferencial. Também foi obtido o diâmetro médio de Sauter, através da equação (1) para cada amostra de areia analisada. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os valores de frações mássicas de cada amostra de areia que foram retidas nas peneiras com diferentes aberturas, pode ser visualizado na Tabela 1, a seguir, juntamente com os valores do diâmetro médio de Sauter, previamente calculados. Abertura da Peneira (mesh) Tabela 1 Valores de frações mássicas de areia retidas em cada peneira. Fração retida da Fração retida da Fração retida da Fração retida da areia de piscina areia saturada areia tipo 1 areia tipo 2 (x i ) (x i ) (x i ) (x i ) 8 0, , , , ,0615 0,4348 0,359 0, ,192 0,124 0,145 0, ,5421 0,366 0,455 0, ,199 0,0632 0,033 0,0962 fundo 0, , , , Diâmetro médio de Sauter (d S ) 0, , , , A partir dos valores do d S,verifica-se que a areia que apresenta menor granulometria é a areia de piscina, podendo ser considerada uma areia fina. Também se verifica que a areia do Tipo 1 e do Tipo 2, apresentam uma granulometria muito próxima, não sendo o padrão para ser utilizada nos filtros industriais. Seria melhor para elevar a eficiência dos filtros, que fossem utilizadas amostras de areia com granulometrias bem diferentes e definidas. Outro fator verificado foi o elevado valor do d S para a areia saturada, esse fato pode ser explicado pois a mesma absorveu resíduos, durante o tempo em que esteve em uso, aumentando seu diâmetro. Com os valores da Tabela, foi possível construir as curvas diferenciais das amostras retidas, apresentadas na Figura 1. Essas curvas são essenciais para a real visualização da granulometria apresentada pela amostra. 0,6 0,5 x i 0,4 0,3 0,2 0,1 Areia Piscina Areia Saturada Areia Tipo 1 Areia Tipo Diâmetro (mm) Figura 1 Curvas diferenciais das amostras retidas.

6 6 Na Figura 1, observa-se que a areia de piscina apresenta um comportamento peculiar a sólidos particulados com granulometria definida, representado por apenas um ponto de máximo na curva, este comportamento pode ser confirmado na literatura (RODRIGUES, 2005; CREMASCO, 2012). Nota-se também que as demais amostras de areias apresentaram um comportamento semelhante entre si, onde se verificam a presença de dois pontos de máximo, indicando a presença de duas granulometrias diferentes na mesma amostra, configurando uma mistura de duas areias com duas granulometrias definidas. Quanto a comparação das areias tipo 1 e 2 observa-se que a areia tipo 1 apresenta aproximadamente 45% das partículas com diâmetros de 1 mm, 35% das partículas com diâmetros de 2 mm e as demais partículas com diâmetros próximos a esses valores, enquanto a areia tipo 2 apresenta aproximadamente 55% das partículas com diâmetros de 1 mm, 25% das partículas com diâmetros de 2 mm e as demais partículas com diâmetros próximos a esses valores. Essas areias são impróprias para serem utilizadas como areia de reposição, uma vez que já é caracterizada por uma mistura de areias com diferentes granulometrias. Outro fator notado na Figura 1 é com relação a areia saturada, que apresenta aproximadamente 45% do diâmetro de partículas ao redor de 2 mm, sendo a areia que apresentou maior quantidade de partículas com diâmetro maior, quando comparada com as outras areias. Esse fato pode ser explicado, pois a areia ficou impregnada com impurezas durante o período em que permaneceu no interior do filtro, aumentando o diâmetro das partículas. 4. CONCLUSÕES Foi realizada uma análise granulométrica das amostras de areia utilizadas no utilizadas por indústria de beneficiamento de arroz parboilizado, sendo uma amostra de areia saturada, amostras de areias industriais Tipo 1 e Tipo 2 que ainda não foram utilizadas, juntamente com uma amostra de areia de piscina para efeito de comparação. Essa análise mostrou que as areias apresentaram comportamento e granulometrias diferentes. A partir dos valores do d S,verifica-se que a areia que apresenta menor granulometria é a areia de piscina e a areia com granulometria mais elevada foi a areia Tipo 1. As granulometrias das areias Tipo 1, Tipo 2 e Areia Saturada apresentaram valores muito próximos, não sendo o padrão para ser utilizada nos filtros industriais. Seria melhor para elevar a eficiência dos filtros, que fossem utilizadas amostras de areia com granulometrias bem diferentes e definidas. Outro fator observado nessa análise é quanto a granulometria, ondetodas as amostras de areias analisadas, com exceção da areia de piscina, não apresentam uma granulometria definida, podendo ser considerada como uma mistura de areias de diferentes granulometrias. A amostra de areia empregada em filtro para piscinas, utilizada para uma comparação, apresentou o comportamento típico esperado, demonstrando um diâmetro bem definido, representado por apenas um ponto de máximo na curva diferencial granulométrica. A areia saturada apresentou aproximadamente 45% do diâmetro de partículas ao redor de 2 mm, sendo a areia que apresentou maior quantidade de partículas com diâmetro maior, quando comparada com as outras areias. Esse fato pode ser explicado, pois a areia ficou impregnada com impurezas durante o período em que permaneceu no interior do filtro, aumentando o diâmetro das partículas. Provavelmente, o emprego de leito filtrante composto por areia de diferentes granulometrias misturadas, esteja influindo na qualidade do tratamento de água de processo da indústria. A atuação do grupo de trabalho promoverá a reavaliação do filtro e seu leito, que compõem a estação de tratamento de águas da referida empresa, propondo melhorias e enfatizando a necessidade da existência de camadas de areia grossa, média e fina com granulometrias bem definidas, buscando melhorias no tratamento de água de processo industrial, atendendo a Legislação vigente para água potável. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

7 7 ABNT. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. EB 2097: Material filtrante - areia, antracito e pedregulho Especificação p. AOAC, 1997 Association of Official Analytical Chemists. 16a. ed. 3a. rev. AOAC International, Gaithersburg, MD. 1997, 2000 p. BRAGA, B.; HESPANHOL, I.; CONEJO, J. G. L., et al. Introdução à Engenharia Ambiental, 2a Edição, Ed. Pearson Prentice Hall, São Paulo. 2005, 336 p. COUTINHO, J. S. Materiais de Construção I Agregados para Argamassas e Betões. Cidade do Porto: Faculdade de Engenharia da Universidade de Porto, 1999, 125 p. CREMASCO, M. A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidodinâmicos. São Paulo: Ed. Blucher, 2012, 424 p. ELIAS, M.C.; SCHIAVON, R.A.; OLIVEIRA, M. Aspectos científicos e operacionais na industrialização de arroz. Qualidade de Arroz na Colheita: Ciência, Tecnologia e Normas. Pelotas: Ed. Santa Cruz, p. FOUST, A. S ; CLUMP, C. W. Princípios das Operações Unitárias. São Paulo: Ed. LTC, 1982, 670 p. GEANKOPLIS, C. J. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. México: CECSA, 1998, 1017 p. Di BERNARDO, L.; DANTAS, A. D. B. Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. 2ª ed. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, p. HAMAN, D.Z.; SMAJSTRLA, A.G.; ZAZUETA, F.S. Media filters for trickle irrigation in Florida. Gainesville: University of Florida, p. KELLER, J.; BLIESNER, R.D. Sprinkle and trickle irrigation. New York: Van Nostrand Reinhold, p. METCALF e EDDY, INC. Wastewater Engineering - Treatment, Disposal and Reuse. 4ª ed. McGraw-Hill. 1991, 25 p. MOTA, S. Introdução à Engenharia Ambiental, 5ª Ed. ABES, Rio de Janeiro, 2000, 524 p. PIZARRO CABELO, F. Riegos localizados de alta frecuencia. Madrid: Ediciones Mundi-Prensa, p. POZZA, Paulo Cesar et al. Avaliação da moagem e granulometria do milho e consumo de energia no processamento em moinhos de martelos. Cienc. Rural [online]. vol.35, n.1, pp , SHREVE, R. N.; BRINK Jr, J. A. Indústrias de Processos Químicos, São Paulo: Ed. LTC, 1980, 732 p. RICHTER, C. A.; NETTO, J. M. de A. Tratamento de Água Tecnologia Atualizada. 3ª ed. São Paulo: Ed. Blucher, 2000, 332 p. RODRIGUES, E. Caracterização de Agregados. Rio de Janeiro: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, 2005, 300 p.

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