Química das Águas - parte 2

Transcrição

1 QUÍMICA AMBIENTAL Química das Águas - parte 2 - Parâmetros de qualidade das águas - Purificação de águas poluídas (Tratamento de água) Prof. Rafael Sousa Departamento de Química UFJF 2º período de 2014

2 Recapitulando... Química Ambiental - contexto multidisciplinar - Relação entre poluição e desenvolvimento sócio-econômico Tecnicamente as águas naturais não são puras (sais) - A água é um bem natural de alto valor agregado - Vários tipos de substâncias tóxicas podem ser encontradas na água - Diferentes processos químicos ocorrem, naturalmente, nas águas e definem suas características 2

3 CURIOSIDADE Uso e Escassez da água Apenas as águas subterrâneas que se encontram a até cerca de 1000 m de profundidade podem ser aproveitadas economicamente. 3

4 CONTEXTO: INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS O aporte de substâncias nos mananciais Origina-se de várias FONTES: - Efluentes domésticos e industriais - Escoamentos superficial urbano e agrícola Cada uma dessas FONTES possui características próprias quanto aos poluentes que transportam, como: - Contaminantes orgânicos (que deveriam ser biodegradáveis) - Nutrientes (que podem causar eutrofização) - Bactérias... DEPENDE também do tipo de uso e ocupação do solo 4

5 CONTEXTO... INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Mesmo separando os poluentes em grupos, a diversidade das indústrias existentes aumenta, ainda mais, a variabilidade dos contaminantes aportados nos corpos de água Torna-se praticamente impossível a determinação sistemática de todos os poluentes que possam estar presentes nas águas superficiais, em tempo relativamente curto... Existem parâmetros de qualidade de água, levando em conta os poluentes mais representativos Físicos Químicos Microbiológicos Bioensaios ecotoxicológicos 5

6 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Parâmetros de qualidade Indicadores de qualidade das águas Usados para a MONITORAÇÃO e FISCALIZAÇÃO ambiental com base da legislação CONAMA nº 357, de 17 de março de 2005 CETESB: Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (Secretaria de Meio Ambiente de SP) - IGAM: Instituto Mineiro de Gestão das Águas - 6

7 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Os parâmetros de qualidade PARÂMETROS FÍSICOS Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Temperatura - Solubilidade de gases como o O 2 O aumento da T diminui - Favorece processos anaeróbicos mau cheiro (produtos de degradação) 7

8 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Condutividade elétrica É ocasianada pelas substâncias dissolvidas que se dissociam em cátions e ânions e cuja dissolução também é função da temperatura Muitos sais encontrados nas águas são de origem antropogênica - Descargas industriais - Consumo de sal nas residências - Excreções da população e animais MONITORAÇÃO = IDENTIFICAR MODIFICAÇÕES NA COMPOSIÇÃO 8

9 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Sólidos Correspondem a partículas diversas, sedimentáveis ou não e que podem ser separadas por filtração sólidos Impurezas na água contribuem para o aumento na quantidade de A MEDIÇÃO DOS SÓLIDOS NÃO DISSOLVIDOS é o peso dos sólidos filtráveis, expresso em mg/l 9

10 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Cor NATURAL: teor ( principalmente de Fe e Mn) de matéria orgânica decomposta e íons ALTERADA: ações antropogênicas... Turbidez É uma medida que representa o quanto uma amostra de água interfere na luz que passa por ela Águas turvas desfavorecem a fotossíntese de vegetações submersas (menos vegetação menos peixes) 10

11 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS PARÂMETROS QUÍMICOS Alcalinidade, dureza, ph Oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO) Série de nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrato e nitrito) Fósforo total Surfactantes Óleos e graxas Cianetos Fenóis e demais contaminantes orgânicos Ânions (cloretos, sulfetos) Íons metálicos (ferro, potássio, sódio, magnésio, manganês, alumínio, zinco, bário, cádmio, níquel, chumbo, cobre, cromo (III), cromo (VI), selênio, mercúrio), arsênio e boro 11

12 Alcalinidade, dureza, ph PARÂMETROS QUÍMICOS - Relacionados com as espécies CO 2, CO 3 2-, Ca 2 +, Mg 2+ e H + (correlacionadas) p. ex. Águas mais alcalinas geralmente dureza moderada a muito dura pouca quantidade de íons H + - Dureza pode ser expressa de várias formas ( dureza de cálcio, dureza de magnésio e dureza total ([Ca 2+ ] + [Mg 2+ ] ) - IMPORTÂNCIA desses parâmetros Seres vivos necessitam de água em ph próximo à neutralidade Tubulações de água (domésticas ou industriais) podem ser entupidas (águas duras) ou ter elementos metálicos lixiviados... Níveis fora dos padrões Água com sabor desagradável e pode ter efeitos laxativos 12

13 PARÂMETROS QUÍMICOS Alcalinidade, dureza, ph Ex de classificação da dureza total da água, expressa em quantidade de CaCO 3 Dureza mg/l de CaCO 3 Classificação da água <15 muito branda de 15 a 50 de 50 a 100 de 100 a 200 branda moderadamente branda dura >200 muito dura 13

14 Oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO) - Expressam o teor de oxigênio dissolvido e indicam os tipos possíveis de poluentes - Demanda bioquímica de oxigênio, DBO É a quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica por meio de processos bioquímicos (e que podem ser monitorados no laboratório) - Demanda química de oxigênio, DQO É a quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica através de um agente químico Útil para detectar substâncias resistentes à degradação biológica => Os valores obtidos são geralmente maiores do que os da DBO e podem ser conseguidos em menos tempo 14

15 Série de nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrato e nitrito) NH 3 é geralmente encontrada em baixas concentrações APESAR DA TOXICIDADE, não é persistente Em concentrações baixas não causa danos aos seres humanos mas pode ocasionar sufocamento de peixes Fósforo total: medida pouco seletiva Usam-se métodos espectroscópicos Teores relativamente altos de espécies desta classe indicam poluição por efluentes industriais e/ou domésticos 15

16 Ânions (cloretos, sulfetos) - Constituem sais presentes na água Aumento na concentração poluição doméstica (Cl - ) e industrial Íons metálicos (Al, Sb, Ba, Be, Cd, Pb, Co, Cu, Cr, Fe, Li, Mn, Hg, Ni, Ag, Se, U, V, Zn), arsênio e boro - Fontes: despejo de efluentes e lixiviação de fertilizantes - Toxidade: depende da espécie (especiação química) 16

17 Surfactantes São os constituintes dos detergentes i) aniônicos (R-SO 3- )Na + i) catiônicos (RMe 3 -N + )Cl - ii) não iônicos Diminuem a tensão superficial da água geram espuma e deixam a sujeira em suspensão Óleos e graxas (parâmetro OG) inconvenientes estético e para a biota - Substâncias orgânicas pouco encontradas em águas superficiais - MAS por serem pouco solúveis em água, dificultam tanto o tratamento de efluentes (processos biológicos) como o da água de abastaecimento 17

18 Fenóis e demais contaminantes orgânicos Ocorrem em consequência de despejos industriais Além de afetarem o sabor dos peixes e da água, podem causar: - lesões na pele - indisposições físicas de diversos tipos Toxicidade - depende da espécie 18

19 PARÂMETROS MICROBIOLÓGICOS Coliformes fecais e totais - Bactérias encontradas principalmente nos intestinos de animais de sangue quente não representam, por si só, perigo à saúde - Dentre as cepas: Escherichia coli é de origem fecal Estreptococos totais - Bactérias patogênicas Escherichia coli - Classificadas em grupos (sinais clínicos e sintomas) 19

20 BIOENSAIOS ECOTOXICOLÓGICOS (ENSAIOS DE TOXICIDADE) Determinação do potencial tóxico de um agente químico ou de uma mistura Efeito poluentes - resposta sobre organismos vivos Método O crustácio Ceriodaphnia dubia é colocado em contato com a água contendo as substâncias em avalição Os efeitos observados definem o grau da toxicidade: - Aguda (efeito de 0 a 96 horas) observação principal é o efeito morte - Crônica (efeito de 1/1010 do ciclo vital até a totalidade da vida do organismo) resposta causa mudanças comportamentais, alterações fisiológicas, reprodutivas, etc 20

21 Nesse contexto, para facilitar a interpretação das informações sobre a qualidade da água de forma abrangente e útil,, a CETEB e o IGAM, adaptaram e desenvolveram o Índice de Qualidade das Águas - IQA O IQA incorpora nove parâmetros considerados relevantes para a avaliação da qualidade das águas: - Oxigênio dissolvido - Coliformes fecais - ph - Demanda bioquímica de oxigênio - Nitratos - Fosfatos - Variação na temperatura - Turbidez - Resíduos totais 21

22 ÍNDICE DE QUALIDADE DAS ÁGUAS - IQA Cálculo do IQA e aplicação 9 IQA = Π qi wi i=1 Produto ponderado de parâmetros de qualidade Variando de 0 a 100 qi qualidade do parâmetro i obtido através da curva média específica de qualidade gráfico) usado como referência (parâmetro wi peso atribuído ao parâmetro função de sua importância na qualidade, em função de uma tabela Utilizado para avaliar águas destinadas ao abastecimento público 22

23 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Cálculo do IQA qualidade dos parâmetros Exemplo: 23

24 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Cálculo do IQA pesos dos parâmetros Parâmetro Peso - wi Oxigênio Dissolvido OD (%OD Sat) 0,17 Coliformes fecais (NMP/100mL) 0,15 ph 0,12 Demanda Bioquímica de Oxigênio DBO (mg/l) 0,10 Nitratos (mg/l NO 3 ) 0,10 Fosfatos (mg/l PO 4 ) 0,10 Variação na temperatura ( 0 C) 0,10 Turbidez (NTU) 0,08 Resíduos Totais (mg/l) 0,08 24

25 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Valores de referência do IQA Nível de Faixa Qualidade Excelente 90 < IQA 100 Bom 70 < IQA 90 Médio 50 < IQA 70 Ruim 25 < IQA 50 Muito Ruim 0 < IQA 25 O IQA reflete a interferência por esgotos sanitários e outros materiais orgânicos, nutrientes e sólidos 25

26 Sendo a poluição das águas um fato real, Necessidade de tratamento de águas e efluentes causa histórica O aumento da população e o desenvolvimento industrial Poluem a água usada no abastecimento geram efluentes domésticos e industriais - poluem também a água e o solo... Existem PROCESSOS físicos, químicos e biológicos para tratar ÁGUAS POLUÍDAS Águas usadas para abastecimento Efluentes em geral 26

27 INTRODUÇÃO A ÁGUA usada para ABASTECIMENTO A água para essa finalidade sempre deve ser tratada? FONTES potáveis: Processo de desinfecção FONTES não potáveis: Estação de Tratamento de Água (ETA) FONTES de água para abastecimento Águas superficiais (geralmente menos puras ) Expostas continuamente a vários tipos de poluentes Águas subterrâneas FIGURA: acessada

28 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DA ÁGUA (ETA) PROCESSO REALIZADO EM ETAPAS 1º- Coagulação/floculação 2º- Decantação 3º- Filtração 4º- Desinfecção Estas operações têm como principais objetivos: - A remoção de material particulado, bactérias e algas - Remoção da matéria orgânica dissolvida que confere cor à água -.Remoção ou destruição bactérias e vírus de organismos patogênicos tais como Estas operações podem sofrer variações dependendo podem sofrer variações dependendo da fonte de água e dos padrões de qualidade a serem alcançados 28

29 A ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DA ÁGUA Esquema simplificado de uma ETA * (Linha líquida) A ETA também tem uma estação de tratamento de sólidos (Linha sólida) São tratados os resíduos gerados na Linha líquida (*) area=9& =9&subarea=25, acessado dia

30 1- Captação AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA A água que chega à Estação de Tratamento de Água é captada diretamente nos rios (águas superficiais) ou no subsolo (águas subterrâneas) 2- Gradagem LINHA LÍQUIDA São retirados da água os resíduos de maior dimensão como folhas, ramos, embalagens, etc., que ficam retidos em grades por onde a água é forçada a passar 3- Floculação/ coagulação PROCESSOS DE CLARIFICAÇÃO São formados flocos com as susbtâncias dispersas e um reagente floculante: os contaminantes co-precipitam com o Al(OH) 3, p. ex., na etapa de Decantação melhora os índices de cor e sabor (partículas menores que 10-4 mm) e, turbidez (partículas > 10-4 mm) 30

31 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA Floculação/ coagulação São formados flocos com as susbtâncias dispersas e um reagente floculante: os contaminantes co-precipitam com o Al(OH) 3, p. exx., na etapa de Decantação melhora os índices de turbidez (partículas > 10-4 mm), cor e sabor (partículas menores que 10-4 mm) - Uso de agentes floculantes : Al 2 (SO 4 ) 3, sais de ferro e polímeros orgânicos Necessidade de remoção de Mg 2 + : Al 2 (SO 4 ) 3 + NaAlO 2 Ex de reação em água levemente alcalina: Al 2 (SO 4 ) 3 14,3 H 2 O + 3Ca(HCO 3 ) 2 2 Al(OH) 3 + 3CaSO 4 + 6CO ,3H 2 O ANÁLISES PRÉVIAS são importantes para ajustar o ph, quando necessário 31

32 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA Esta etapa é realizada em câmaras (floculadores) onde a água é levemente agitada, facilitando a aglutinação de impurezas Água superficial sendo tratada em uma ETA, após a adição de um agente floculante Parte da purificação da água ocorre por meio de um processo de transferência de fase 32

33 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA 4- Decantação É um processo de separação física das partículas em suspensão, clarificando a água e reduzindo em grande porcentagem as impurezas As partículas decantadas, mais pesadas que a água, ficam depositadas no fundo do decantador Processo que dura, em média, 3 h 5- Filtração A água passa por filtros de areia e/ou carvão ativado, nos quais ficam retidas as partículas pequenas (não decantadas) e uma infinidade de substâncias solúveis (adsorção no carvão) melhora mais acentuada nas características como odor e sabor PROCESSOS DE DESINFECÇÃO 33

34 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA 6- Desinfeção (geralmente cloração ou ozonização ou radiação UV) É a eliminação de microorganismos não retidos nas etapas anteriores Adição de cloro (gás ou solução de hipoclorito) Fluoretação: adição de flúor (fluorsilicato de sódio ou ácido fluorsilícico) H 2 SiF 6 34

35 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA (DESINFECÇÃO) A desinfecção ocorre para assegurar que a água esteja livre de microorganismos patogênicos Os processos utilizados tem vantagens e desvantagens! A cloração é o método de desinfecção mais comumente utilizado na maioria dos países Quantidades suficientes de cloro são adicionadas à água visando destruir ou inativar os organismos alvo É um método confiável, de relativo baixo custo, simplicidade operacional e cujo excesso, no tratamento, favorece a biosegurança no armazenamento e transporte da água tratada 35

36 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO Reações químicas: O gás cloro reage quase completamente com a água formando o ácido hipocloroso: Cl 2 + H 2 O HOCl + H + + Cl - Em meios mais alcalinos, o ácido hipocloroso se dissocia, gerando os íons H + e OCl - : HOCl H + + OCl - ESPÉCIES BACTERICIDAS DE CLORO LIVRE MAS o Cl 2 reage também com outras espécies presentes na água, antes de se converter em HOCl ou OCl - Problema : o cloro reage com substâncias orgânicas presentes na água produzindo trialometanos (THM): CHX 3 (X = cloro, bromo ou uma combinação de ambos) 36

37 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO Problemas da desinfecção com cloro O composto de maior preocupação é o CHCl 3 : clorofórmio Produto da reação do HOCl com matéria orgânica Os THM não são removidos da água através do tratamento convencional!! Deve-se assegurar que a matéria orgânica esteja ausente da água que vai ser submetida à cloração! O risco de contrair doenças causadas por esses compostos é menor do que o de contrair doenças por organismos patogênicos! 37

38 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO E DIÓXIDO DE CLORO Outro problema da desinfecção com cloro Se a água contém fenol ou um derivado, o cloro substitui facilmente os átomos de hidrogênio do anel para dar lugar a fenóis clorados que além do gosto e odor ofensivos, são tóxicos Troca-se o cloro por dióxido de cloro quando o suprimento de água bruta está contaminado temporariamente com fenóis, sendo isto usando especialmente nos EUA e Europa ENTRETANTO, o uso propriamente Reação de obtenção do. ClO 2 Obtenção a partir de clorito: ClO 2 - ClO 2. não é uma cloração + e - (realizada in situ) oxidação 38

39 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO E DIÓXIDO DE CLORO Desvantagens na utilização de dióxido de cloro Assim como o ozônio, não pode ser estocado (explosivo) sendo gerado in situ Pequenas frações de dióxido de cloro são convertidas em íons ClO - 2 e ClO - 3 cuja presença RESIDUAL na água final pode causar problemas de saúde Vantagens na utilização de dióxido de cloro O dióxido de cloro não é um agente de cloração: geralmente não introduz átomos de cloro nas substâncias com as quais reage Oxida a matéria orgânica formando quantidades muito menores de subprodutos orgânicos tóxicos que quando é usado cloro molecular 39

40 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA ANÁLISES DE CONTROLE ETAPA FINAL: análises físico-químicas e microbiológicas para atestar a qualidade da água (Portaria número 518 do Ministério da Saúde, de 25 de março de 2004) ARMAZENAGEM DISTRIBUIÇÃO PARA AS RESIDÊNCIAS (podem ocorrer contaminações) 40

41 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA No tanque de decantação ficam resíduos: tratamento da Linha SÓLIDA Desidratação de Lamas Sobram resíduos provenientes dos processos de clarificação: lamas São encaminhadas para a desidratação (estabilização química) e estabilização microbiológica devido à grande quantidade de água - A desidratação (secagem) pode ser feita de várias formas: evaporação em leitos, uso de filtros (tipo prensa), etc - A lama tratada é transportada para um destino final adequado, sendo possível o seu aproveitamento como adubo orgânico: Composição, em % média, de lamas de ETAs após tratamento 41

42 REFERÊNCIAS CONSULTADAS 1 BAIRD, C., Química Ambiental, Bookman, 2002, p (Qualidade das Águas Superficiais do Estado de Minas Gerais em 2004: Superficiais na Bacia do Rio Jequitinhonha em Belo Horizonte: IGAM Monitoramento das Águas, 2004, 116p). 3- Manual de Procedimentos e Técnicas Laboratoriais Voltado para Análises de Águas e Esgotos Sanitário e Industrial. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, acessado em acessado em Nascentes, C. C.; Costa, L. M. Química Ambiental. UFMG, acessado Pita, F. A. G. Armazenamento e tratamento de resíduos. Vol. II Tratamento de Águas Residuais Domésticas, Universidade de Coimbra, acessado