XXVI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERIA SANITÁRIA Y AMBIENTAL

Transcrição

1 XXVI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERIA SANITÁRIA Y AMBIENTAL 1 5 de Noviembre de 1998, Lima - Peru OZONIZAÇÃO, ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO E FLOTACÃO PARA PRÉ-TRATAMENTO DE ÁGUA Luiz Di Bernardo Rogério Pecci Filho

2 OZONIZAÇÃO, ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO E FLOTACÃO PARA PRÉ-TRATAMENTO DE ÁGUA Luiz Di Bernardo 1 : Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo Rogério Pecci Filho: Estudante de pós-graduação em Hidráulica e Saneamento (Bolsista da FAPESP) (1) Endereço : Av. Dr. Carlos Botelho, # 1465 CEP : São Carlos, Brasil Telefone : ; Fax : bernardo@sc.usp.br INTRODUÇÃO As primeiras aplicações da flotação fora da área de processamento de minérios parece ter sido por volta de 192 na indústria de papel e celulose, com a finalidade de recuperação de fibras de madeira e efluente, resultando na diminuição da carga poluidora. Após a segunda grande guerra verificou-se aumento da aplicação do processo de flotação, podendo-se citar, entre outros, a remoção e/ou recuperação de óleos e gorduras, separação de sementes, remoção de tintas de efluentes líquidos industriais, tratamento de esgotos domésticos, espessamento de lodos e, mais recentemente na área de tratamento de águas de abastecimento, com alternativa à sedimentação. Em relação à última, observa-se que historicamente as unidades de sedimentação consagram-se como sendo uma maneira relativamente simples e eficiente de se promover o prétratamento de grande parte das águas superficiais destinadas ao abastecimento. Entretanto, a existência de várias situações adversas ao emprego da sedimentação, vem estimulando a busca de outras tecnologias capazes de responder com maior eficácia tais dificuldades. A utilização da ozonização do carvão ativado em pó -CAP ou do carvão ativado em pó impregnado com prata - CAPIP, no pré-tratamento de águas de abastecimento, visa a redução de algas, número de coliformes totais e fecais, além da adsorsão de matéria orgânica existente. O íon de prata se combina com sulfidrila, carboxila, fosfato, amino e outros grupos químicos importantes biologicamente. Tais interações, ao envolver proteínas, alteram suas propriedades físicas, e muitas vezes causam sua precipitação. Esta é a base das ações adstringentes e cáusticas dos íons da prata e pode explicar, em parte, suas ações antibacterianas. Contudo, vários complexos de prata fracamente solúveis, que não fornecem íons suficiente para a precipitação de proteínas, são bons antissépticos. Os íons de prata agem na superfície da célula bacteriana, causando alterações drásticas na parede celular e na membrana plasmática. Quando se aplicam soluções de sais de prata inorgânicos ao tecido, eles exercem efeito germicida imediato. Um fenômeno bacteriológico interessante é o fato de que água destilada se torna altamente bactericida após o contato com prata metálica.

3 A Resolução CONAMA de 15 de Junho de 1986, baixada pelo Ministério de Desenvolvimento Urbano e Meio Ambiente, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (1986) classificou as águas doces, salobras e salinas no Brasil, fixou limites para diversos parâmetros de qualidade das águas destinada ao consumo humano e estabeleceu o tipo de tratamento requerido em cada caso. A ABNT (1989) contraria parcialmente as tecnologias de tratamento sugeridas na Resolução do CONAMA e acrescenta outros parâmetros de qualidade biológica, tais como DBO e DQO, para escolha da tecnologia de tratamento apropriada. Tanto na Resolução do CONAMA quanto na ABNT não é feita qualquer ressalva sobre a presença de algas na água bruta e tampouco na água tratada, o que requer atenção especial por parte de pesquisadores e projetistas, tendo em vista que a presença desses organismos na água bruta pode inviabilizar a operação de estações de tratamento de água que não possuem unidades específicas para sua remoção, conforme salientado por Di Bernardo (1995). A pré-cloração tem sido comumente adotada quando há florescimentos algais nos mananciais, o que pode contribuir para a formação de compostos tóxicos ao ser humano, tais como os organo-clorados, em sua maioria considerados cancerígenos, além desses organismos, especialmente as cianobactérias, produzirem toxinas muito perigosas. Os coliformes têm sido utilizados como indicadores de contaminação fecal, tendo a Resolução CONAMA limitado o NMP de coliformes totais em 2. UFC/1 ml para que um curso d água possa ser usado como fonte de abastecimento. Entretanto, tal limitação não leva em conta os avanços tecnológicos e a realidade de algumas comunidades tendo em vista a escassez de água em alguns mananciais e de fontes de abastecimento em muitas regiões do Brasil. Há inúmeros casos do tratamento de água em cujos mananciais o NMP de coliformes totais chega a alcançar valores até 1. UFC/1 ml. Evidentemente, nessas situações, há necessidade de pré-tratamento, usualmente realizado por intermédio da pré-cloração (eventualmente é adotada a amoniação) e, algumas vezes da aplicação de carvão ativado em pó. No primeiro caso é visada a desinfecção, uma vez que não se tem segurança sanitária com água tendo tais características. Ademais, tais águas geralmente contêm expressiva quantidade de matéria orgânica, precursora da formação de compostos organo-halogenados ou então já possuem compostos orgânicos prejudiciais à saúde pública, requerendo o emprego de substâncias como o carvão ativado em pó ou granular para a sua remoção. Desinfetantes como o dióxido de cloro, ozônio, peróxido de hidrogênio, etc, têm sido utilizados em lugar do cloro visando reduzir a potencialidade da formação organo-halogenados. Embora não seja considerado na Resolução N 2 do CONAMA ou na norma da ABNT(1989), o teor de COT(carbono orgânico total) tem sido recomendado pela AWWA(199) para se ter idéia da quantidade de matéria orgânica na água e indicar a necessidade de pré-tratamento. Recentemente a absorvância a λ=254 nm passou também a ser usada como indicadora da presença de matéria orgânica natural presente na água.

4 Tendo em vista a existência de muitas comunidades no Brasil que utilizam água de mananciais que de alguma forma recebem contribuições de águas residuárias domésticas e industriais e de outros situados em bacias hidrográficas cujas atividades incluem o uso de agrotóxicos, foi estudado no presente trabalho a utilização da ozonização e do carvão ativado( CAP e CAPIP) seguidos da flotação como meios de remoção do carvão, para pré-tratamento de águas de abastecimento. Estudou-se no presente trabalho a utilização da ozonização e do carvão ativado em pó -CAP ou do carvão ativado em pó impregnado com prata - CAPIP, no pré-tratamento de águas de abastecimento. A ozonização e a prata impregnada funcionam como agente desinfetante, enquanto o carvão tem a função de adsorver a matéria orgânica eventualmente presente. Para a clarificação da água testou-se a flotação, utilizando-se um flotador em escala de laboratório com fluxo descontínuo. MATERIAIS E MÉTODOS Foram utilizados dois tipos de carvão ativado em pó, um impregnado com Prata (CAPIP), e o outro não (CAP). Ambos com 1 % que passa na peneira ABNT N.325 (,44 mm). Na primeira etapa o CAPIP foi utilizado nos ensaios diretos de flotação, e o CAP era adicionado após um tempo de contato no ozonizador. Na segunda etapa foi usado o CAPIP, foi realizada a coagulação com sulfato de alumínio e posteriormente, a flotação. Nestas etapas a água utilizada foi a do tipo I (vide caracterização abaixo). Na terceira etapa foi utilizada água do tipo II e o mesmo procedimento adotado na segunda etapa. As águas de estudo foram preparadas a partir de água de poço profundo. A água do tipo I, com as seguintes características : ph (6,8-7,2); turbidez = 2,3 a 2,85 ut; cor verdadeira = 16 a 24 uc; temperatura = 25 C ± 1 C; NMP de coliformes totais = 2. a 3. UFC/1 ml ; concentração de algas 1 5 ind/l.; e a água do tipo II, com as seguintes características: ph (6,8-7,2) ;turbidez = 6,5 a 8,3 ut; cor Verdadeira = 4 a 55 uc; temperatura = 25 o C ± 1 C ; concentração de algas 1 6 ind/l; NMP de coliformes totais ( UFC/1 ml) As algas da espécie Chlorella minutíssima foram cultivadas em meio de cultura tipo WC, proposto por Guillard e Lorezen, apud Duarte et al.(199). Durante o desenvolvimento da cultura foram realizadas algumas contagens de alíquotas retiradas para o acompanhamento das fases de crescimento. Foram preparados cerca de 3 litros de cultura, cujo recipiente foi alojado no interior de uma caixa contendo lâmpadas fluorescentes (com cerca de 4 watts de potência total), proporcionando luz suficiente para o rápido desenvolvimento da cultura. A temperatura média da água ficou em torno de 26 C. A contagem direta de algas (células/ml) foi efetuada com o emprego de um Hemacitômetro(Improved Newbauer Brite Line) instalado em microscópio binocular, marca Zeis, 32 vezes de aumento. Existe uma coluna de ozonização com cerca de 5 m de altura (mangueira plástica transparente), no interior da qual foi introduzida outra mangueira (de 6,4 mm de diâmetro) contendo uma pedra porosa na extremidade inferior. A mangueira menor está ligada ao ozonizador e este à um cilindro de oxigênio comprimido. Para a realização do ensaio, colocam-se cerca de 6 ml da água de estudo na coluna de ozonização, liga-se o ozonizador e espera-se pelo tempo de contato pré estabelecido. Depois de

5 passado o tempo de contato da água de estudo com o ozônio, coleta-se a água com um Becker e realiza-se o ensaio de flotação com o CAP. O tempo de contato foi de 1 minutos e a dosagem de ozônio de 1 mg/l. O equipamento de flotação utilizado era composto por duas câmaras, uma pressurizada (câmara de saturação) e outra aberta (câmara de flotação) com um ponto de coleta situado na região central da mesma, sendo que nesta era feita a agitação. As duas eram interligadas de modo a tornar possível a injeção de água pressurizada (recirculação) na câmara de flotação. O equipamento é mostrado na Figura 1. A água utilizada na recirculação era a do poço profundo, com suas características originais. O CAPIP e o CAP foram adicionados sob a forma de uma dispersão uniforme. A concentração da dispersão foi 1,9 g de CAPIP por litro, tendo a mesma sido escolhida para facilitar a adição do carvão em volumes de fácil leitura (ex.:2,5; 5, ou 1, ml). A dispersão permanecia em constante agitação durante o período de retirada do volume a ser utilizado. O seguinte procedimento foi utilizado no ensaio de flotação: primeiramente era colocada água do poço não contaminada na câmara de saturação e feita a manutenção desta sob pressão de 4 atm por um período de 1 min. para que ocorresse a saturação da mesma (aceita-se que a solubilidade do ar na água siga a lei de Henry). Decorridos 1 minutos era feita a pressurização da linha com a liberação de um pouco de água pressurizada na câmara de flotação e posterior esgotamento da mesma. Estando o equipamento pronto para a realização do ensaio, era colocada água contaminada (nos ensaios com a ozonização, a água passava um tempo de contato na coluna de ozonização) na câmara de flotação até a marca representativa de recirculação de 1%. Adicionava-se o carvão impregnado ou não com prata durante a agitação necessária para se efetuar a mistura rápida. Após o tempo de contato determinado para cada ensaio era feita a retirada do agitador e a liberação de água pressurizada na câmara de flotação (recirculação). Decorrido o tempo o tempo necessário para se obter a velocidade de flotação desejada era feita a coleta da amostra do subnadante(cerca de 6ml). Após a realização do ensaio procedia-se o esgotamento e limpeza da câmara de flotação para realização de um novo ensaio. O procedimento adotado nos ensaios da segunda etapa, ou seja, utilização de CAPPIP e coagulação com Sulfato de Alumínio segue o descrito acima como flotação, diferindo deste apenas no fato que após o tempo de contato com o CAPIP, foi feita novamente a agitação rápida para a adição do Sulfato de Alumínio, seguida da floculação( 5 rpm). Na primeira etapa os tempos de contato foram de 5 e 1 min, as dosagens de CAPIP e CAP foram de 1, 2 e 3 mg/l e as velocidades de flotação foram de 5, e 1, cm/mim.. Na segunda etapa o tempo de contato foi de 5 minutos, os tempos de mistura rápida e de floculação foram de 1 e 12 min., respectivamente Foram realizados 5 ensaios variando as dosagens de sulfato de alumíno para cada dosagem de CAPIP(5, 1 e 2 mg/l). Na terceira etapa (ensaios de flotação utilizando CAPIP e sulfato de alumínio para a água tipo II), o tempo de contato com CAPIP foi de 5 minutos, tempo de floculação de 12 minutos e velocidade de flotação de 5 cm/min.e a dosagem de CAPIP variou de 5, 1 e 2 mg/l.

6 A variação das dosagens de sulfato de alumínio foi necessária para se determinar a condição de coagulação que proporcionou os menores valores dos parâmetros analisados. A recirculação e a pressão na câmara de saturação foram fixadas em 1% e 4 atm, respectivamente. Os resultados obtidos não levam em consideração a diluição ocasionada pela recirculação de 1% valvula de valvula de saida de arseguranca manometro 6 ml 5 ml CAMARA DE FLOTACAO AGITADOR 4 ml CAMARA DE SATURACAO n.a. 3 ml ponto de coleta de amostra do sobrenadante 2 ml entrada de agua na camara de saturacao 1 ml saida de agua da camara de saturacao entrada de ar comprimido entrada de agua pressurizada MANGUEIRA DE ALTA PRESSAO Figura 1 - Esquema do Flotador. Com as amostras do sobrenadante coletadas foram efetuadas determinações do NMP de coliformes totais e fecais (pelo sistema Colilert), concentração de algas, carbono total, carbono inorgânico, carbono orgânico total, absorvância em 254 nm, turbidez e cor verdadeira, comparando-se esses valores com os iniciais. Tais medidas realizadas nos seguintes equipamentos: Turbidímetro da Micronal, modelo B-25: utilizado para leitura de turbidez; Centrífuga, da FANEM, modelo 215: utilizado na determinação da cor verdadeira; DR 2 da Hach: utilizado na leitura de cor verdadeira; UV-Visible Recording Spectrophotometer da Shimadzu, modelo UV-16A: utilizado para leitura da absorvância; Total Organic Carbon Analyser da Shimadzu, modelo TOC-5A: utilizado para leitura do carbono total, carbono inorgânico e carbono orgânico total; Salienta-se que as leituras de absorvância foram feitas utilizando-se um comprimento de onda de 254 nm, o qual indica a presença de matéria orgânica natural.

7 RESULTADOS Nas figuras 2, 3 e 4 são mostrados os resultados de alguns ensaios de flotação utilizando carvão ativado impregnado com Prata (CAPIP) Primeira etapa. 1 Tc = 5 min. e Vf = 1 cm/min. Tc = 5 min. e Vf = 5 cm/min. Fração Remanescente de Coliformes Totais,9,8,7,6,5,4,3,2, Dosagem CAPIP(mg/l) Figura 2 - Comparação dos valores de NMP Coliformes Totais(No=263 NMP/1ml) remanescentes em função da dosagem de CAPIP(mg/l) para diferentes velocidades de flotação Fração Remanescente da Concentraçào de algas(ind/l) 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Tc = 5 min. e Vf = 1 cm/min. Tc = 5 min. e Vf = 5 cm/min Dosagem CAPIP(mg/l) Figura 3 - Comparação dos valores da Concentração Remanescente de algas(co=1,48e5 ind/l) em função da dosagem de CAPIP(mg/l) para diferentes velocidades de flotação

8 Tc = 5 min. e Vf = 1 cm/min. Tc = 5 min. e Vf = 5 cm/min Turbidez(uT) Dosagem CAPIP(mg/l) Figura 4 - Comparação dos valores de Turbidez em função da dosagem de CAPIP(mg/l) para diferentes velocidades de flotação Nas figuras 5, 6e 7 são mostrados os resultados de alguns ensaios de flotação utilizando CAP precedido da Ozonização. 1,2 Tozon.=1 min.;tc=5 min. e Vf = 5 cm/min. Fração Remanescente de Coliformes Totais 1,8,6,4, Dosagem de CAP(mg/l) Figura 5 - Coliformes Totais Remanescentes (No=286 NMP/1ml) em função da dosagem de CAP

9 1 Tozon.=1min.; Tc=5 min. e Vf = 5 cm/min. Fração Remanescente da Concentração de algas(ind/l),9,8,7,6,5,4,3,2, Dosagem de CAP(mg/l) Figura 6 - Concentração de Algas Remanescentes (Co=2,44E5 ind/l) em função da dosagem de CAP 12 Tozon.=1 min.; Tc=5 min. e Vf = 5 cm/min. 1 8 Turbidez (ut) Dosagem de CAP(mg/l) Figura 7 - Variação da Turbidez em função da dosagem de CAP

10 Na figura 8 são mostrados os resultados de alguns ensaios da segunda etapa foi usado o CAPIP e realizada a coagulação com sulfato de alumínio,com posterior flotação. 6 Tf=12 min.; Vf = 5 cm/min. 5 CAPIP = 5 mg/l - DAS=24 mg/l; CAPIP = 1 mg/l - DAS=24 mg/l; CAPIP = 2 mg/l - DAS=32 mg/l; 4 Turbidez (ut) Dosagem de CAPIP (mg/l) Figura 8 - Variação da Turbidez em função da dosagem de CAPIP e suas respectivas dosagens de sulfato de alumínio Na figura 9 são mostrados os resultados de alguns ensaios da terceira etapa. Fração Remanescente de Coliformes Totais 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Tf=12 min.; Vf = 5 cm/min. CAPIP=5mg/L - DAS=24mg/L CAPIP=1mg/L - DAS=24mg/L CAPIP=2mg/L - DAS=32 mg/l Dosagem de CAPIP (mg/l) Figura 9 - Coliformes Totais Remanescentes (No= 984 NMP/1ml) em função da dosagem de CAPIP e suas respectivas dosagens de sulfato de alumínio

11 DISCUSSÃO, CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Para tempo de contato 5 min foram testadas as dosagens de 1, 2 e 3 de CAPIP/L e velocidades de flotação iguais à 5 e 1 cm/min., obteve-se uma redução significativa da concentração de algas, do NMP de coliformes totais e fecais. Com relação às velocidades de flotação, observou-se melhor eficiência na velocidade de flotação igual à 5 cm/min. (como visto nas figuras 2 e 3). Com relação aos valores de cor verdadeira e turbidez, houve um aumento destes nas dosagens mais elevadas (figura 4), devido à permanência de partículas de CAPIP em suspensão, demonstrando assim que com as características empregadas nos ensaios, a flotação não se mostrou um método eficiente na remoção do CAPIP. Eliminando o problema mencionado, nos ensaios de flotação utilizando coagulante, houve uma diminuição dos valores de turbidez e cor verdadeira. Como ocorrido no ensaio com dosagem de CAPIP de 1 mg/l e de sulfato de alumínio de 24 mg/l, houve redução da turbidez de 5,3 ut para 1,48 ut.(figura 8 ) Observou-se total remoção de coliformes totais e fecais para tempo de ozonização de 1 min. e tempo de contato com o CAP de 5 min., velocidade de flotação de 5 cm/min. e dosagens de CAP de 1, 2 e 3 mgl/l. Com estas mesmas características, a remoção de algas também foi significativa (como visto nas figuras 5 e 6). Foi verficado nos ensaios de flotação utilizando CAP, também ocorreu aumento na cor verdadeira e turbidez com o aumento na dosagem de CAP(figura 7). Com relação aos ensaios com a água tipo II, pode dizer que a utilização de CAPIP, sulfato de alumínio e da flotação é bastante eficiente no tocante à remocão de coliformes totais, fecais e algas. Com base no trabalho realizado concluiu-se que: O aumento da dosagem de CAPIP implica uma maior eficiência na remoção do NMP de coliformes totais e fecais (como na figura 2, ocorreu redução do NMP de coliformes totais/1ml de 26.3 para 6 NMP/1ml na dosagem de CAPIP de 3 mg/l); O CAPIP reduziu significativamente a concentração de algas (na figura 3, com Tc= 5 min e Vf= 5 cm/min. a eficiência de remoção foi de 93% para a dosagem de 3 mg/l ) e esta redução foi maior com o aumento da dosagem de CAPIP; O método como a flotação está sendo utilizada não é eficaz para a remoção de partículas em suspensão, pois houve um aumento na turbidez com o aumento da dosagem de CAPIP (na figura 4, ocorreu o aumento de T =2,3 ut para T 3 mg/l = 1,4 ut ). O aumento no tempo de contato de CAPIP com água de estudo em resultou maiores diminuições no NMP de coliformes totais e fecais remanescentes. Os ensaios realizados com velocidade de flotação de 1 cm/min. apresentaram uma maior diminuição da concentração de algas, do MNP de coliformes totais e fecais remanescentes ( como visto nas Figuras 2 e 3).

12 a utilização da dosagem correta de sulfato de alumínio melhora a eficiência de remoção de algas, de coliformes totais e fecais, turbidez e de cor verdadeira; A aplicação do ozônio antecedendo o Carvão Ativado em Pó (CAP) reduz significativamente a concentração de algas(figura 6), do MNP de coliformes totais(como visto na figura 6, ocorreu redução do NMP de coliformes totais/1ml de N o =286 NMP/1ml para N 3 mg/l = 25 NMP/1 ml) e fecais remanescentes. A adição do CAP na água de estudo faz com que haja um elevado aumento na turbidez(na figura 7, T =3,1 ut para T 3 mg/l = 1,2 ut). A turbidez e a cor aparente não interferem na eficiência de desinfecção do CAPIP dentro dos limites estudados (,5 a 8,3 ut para turbidez e 1 a 55 uc para cor verdadeira); A água tipo II, bastante contaminada, pode ser tratada como fonte de abastecimento (no tocante à presença de coliformes totais e fecais) ao ser submetida ao tratamento com CAPIP e sulfato de alumínio(n o =984 NMP/1ml para N 3 mg/l = 189 NMP/1 ml.) Devido ao aumento de turbidez e cor verdadeira do sobrenadante para as velocidades de flotação de 5 e 1 cm/min., recomenda-se aumentar a taxa de recirculação, para que se obtenha maior quantidade de ar. Também é recomendado o uso de ccoagulante após a ozonização e aplicação do CAP, antes da flotação. Devido ao poder desinfetante do CAPIP, recomenda-se o estudo da sua utilização em filtros domiciliares ou emergenciais em ETAs. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRAS DE NORMAS TÉCNICAS NB-592 Projeto de Estação de Tratamento de Água par Abastecimento Público ABNT, Rio de Janeiro, Brasil, AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION, Water Quality and Treatment - A Handbook of Community Water Supplies AWWA IV Ed., USA, 199. DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. DI BERNARDO & ABES, Vol I,1993, Rio de Janeiro, Brasil. FERREIRA FILHO, S.S. Importância do Mecanismo de Transferência Externa de Massa em Filtros- Adsorvedores - Tese Doutorado-Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, ISAAC,R.L. Controle de trihalometanos em Sistemas de Abastecimento de Água- Remoção por Adsorsão em Colunas de Carvão Ativado Granular em Estação de Tratamento de Água - Dissertação de Mestrado-Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, 1993.