I-014 EFICIÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE COAGULANTES NA COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO DE ÁGUA COM TURBIDEZ ELEVADA E COR VERDADEIRA BAIXA

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1 I-014 EFICIÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE COAGULANTES NA COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO DE ÁGUA COM TURBIDEZ ELEVADA E COR VERDADEIRA BAIXA Gerson Pavanelli Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Paraná UFPR. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Engenheiro de Projetos da SANEPAR. Luiz Di Bernardo 1 Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP). Endereço (1) : Departamento de Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos USP - Av. Trabalhador São-Carlense, 0 - São Carlos SP - CEP : Brasil - Fone : (16) ; Fax: (16) bernardo@sc.usp.br RESUMO A proposta deste trabalho foi utilizar quatro diferentes coagulantes, sulfato de alumínio, cloreto férrico, hidroxicloreto de alumínio e sulfato férrico, visando a construção dos diagramas de coagulação para cada um deles e verificar as regiões de remoção eficiente de turbidez para duas velocidades de sedimentação. Para permitir uma avaliação de custos na utilização dos coagulantes, observou-se em cada diagrama, a região na qual os valores de turbidez remanescente eram aproximadamente iguais. Com essa consideração, foi estabelecida a relação entre consumo e custo dos produtos químicos utilizados. Dentre os coagulantes estudados, concluiu-se que o cloreto férrico foi mais eficiente em valores de ph baixos, o sulfato férrico mostrou-se mais econômico e o hidroxicloreto de alumínio atuou eficientemente numa ampla faixa do ph de coagulação, para a água estudada. Para águas com outras características, recomenda-se a realização de um estudo similar ao realizado, contemplando os coagulantes disponíveis no mercado. PALAVRAS-CHAVE: tratamento de água; coagulação; floculação; sedimentação; custo de produtos químicos. INTRODUÇÃO Atualmente, verifica-se a degradação da natureza de forma indiscriminada, pelo controle precário dos lançamentos de resíduos nos rios. Além disso, a mata ciliar está sendo substituída por plantações agrícolas, visando a ampliação da área de cultivo e conseqüentemente o aumento do lucro. Este procedimento, dentre outros grandes prejuízos ambientais, gera um aumento significativo da turbidez dos cursos d água. Além de mais turva, a qualidade da água dos rios torna-se cada vez pior, com maior variedade de componentes químicos, físicos e biológicos, dificultando e encarecendo seu tratamento. É fundamental que cientistas da área de saneamento se envolvam com esta gama de variáveis que influenciam diretamente a qualidade da água, propiciando seu efetivo tratamento para o consumo direto e indireto dos seres humanos. Um dos primeiros passos no processo de tratamento da água do manancial é a coagulação química. Dada a importância da coagulação na estação de tratamento (ETA), tornam-se imprescindíveis estudos mais aprofundados sobre os diversos tipos de coagulantes. Caso esta etapa de coagulação não tenha êxito, todas as demais estarão prejudicadas, a ponto de, em certas situações, obrigar o descarte de toda a água efluente da ETA. A coagulação consiste nas reações de hidrólise que ocorrem quando se adiciona o coagulante na água e no transporte das espécies hidrolisadas com as partículas a serem desestabilizadas. Este trabalho visa investigar a eficiência de alguns tipos de coagulantes aplicados ao tratamento de água, reiterando que é de suma importância a atuação eficaz do coagulante químico que exerce influência direta em todas as etapas posteriores do tratamento. Foram utilizados os seguintes tipos de coagulantes: Sulfato de Alumínio, Cloreto Férrico, Hidróxicloreto de Alumínio e Sulfato Férrico. Nestes experimentos foram ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 determinados alguns parâmetros da coagulação química, pois estes definem a melhor ou pior qualidade da água tratada, e foi realizada uma comparação dos custos dos compostos químicos utilizados. Para cada coagulante químico foram obtidas as dosagem convenientes utilizando-se o diagrama de coagulação. MATERIAIS E MÉTODOS Equipamentos Utilizados Foram utilizados os seguintes equipamentos: jarteste (reatores estáticos), da Nova Ética com gradiente de velocidade variando entre a 00 s -1 ; potenciômetro da marca Orion; turbidímetro da H; Zetâmetro da Malvern Instruments acoplado a microcomputador; balança eletrônica marca Mettler; agitador mecânico acoplado a eixo vertical com paletas e recipiente em acrílico com capacidade para litros para prepração da suspensão mãe de caulinita. Materiais Os coagulantes estudados foram os seguintes: Sulfato de alumínio Al 2 (SO 4 ) 3 x 14,3 H 2 O Cloreto férrico FeCl 3 x 6 H 2 O Hidróxicloreto de alumínio Al n (OH) m Cl 3n-m Sulfato férrico Fe 2 (SO 4 ) 3 x 8 H 2 O Além dos coagulantes, foram usadas: soluções de ácido sulfúrico a 0,03N, de ácido clorídrico a 0,1N e de hidróxido de sódio a 0,1N; caulinita (da FISHER Scientific Company - New Jersey); ácido húmico (da ALDRICH Chemical Company Inc - USA); água destilada. Preparo da Água A partir de água do poço da EESC/USP foi preparada a água de estudo, com elevada turbidez e baixa cor verdadeira. Com a finalidade de reduzir erros na preparação das amostras e também de remover as partículas de maior tamanho, foi preparada uma suspensão-mãe mediante adição de argila em água desonizada, utilizando-se um recipiente de acrílico com capacidade útil de 18 litros, onde foram adicionadas 386 g de Kaolin K-5. Após 2 (duas) horas de agitação, seguidas por horas de repouso, coletou-se o sobrenadante, colocando-o em recipientes adequados (previamente lavados), e mantidos cheios com água desonizada por um período de dias. A água em estudo foi preparada a partir da água do poço e armazenada em reservatório de plástico de 00 L. A dispersão-mãe já pronta foi então adicionada aos poucos no reservatório de plástico e homogeneizada manualmente. A turbidez foi medida diversas vezes para que não ultrapassasse o valor limite de 0. Foram aguardados dias para estabilização da dispersão, isto é, até que não fossem observadas alterações significativas nos parâmetros da água de estudo neste período, conforme tabela 1. TABELA 1 Características das águas de estudo. Característica Valor Cor Aparente (uh) - Cor Verdadeira (uh) - Turbidez () 2 ph com agitação 7, ph sem agitação 7, Alcalinidade (mg/l de CaCO 3 ) Condutividade (µs/cm) - C Dureza (mg/l de CaCO 3 ),2 Ensaios no Equipamento de Jarteste Os ensaios no equipamento estático foram feitos na seqüência e de acordo com os procedimentos: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Colocar a solução do coagulante nas cubetas de acordo com dosagem pré-estabelecida; Colocar a solução do acidificante ou do alcalinizante dentro dos jarros; Agitar a água de estudo da caixa para retirada da quantidade necessária a realização de um ensaio; Coletar em um balde de a litros, e em seguida adequar a temperatura da água para C, se necessário, utilizando-se ebulidor ou garrafas de água congeladas; Colocar a água do balde nos jarros em quantidades de forma que os dois litros sejam completados em três ou quatro vezes; Ligar o aparelho e descer as paletas de forma a agitar um pouco os jarros, para misturar o acidificante e ou o alcalinizante, antes de adicionar o coagulante; Ajustar a rotação da mistura rápida (Gmr), e o cronômetro no mesmo instante em que é adicionado o coagulante; Baixar a rotação após o Tmr para Gf; Desligar o equipamento após Tf (no cronômetro o tempo registrado é Tmr + Tf); Fazer uma tabela de tempos correspondentes às coleta dos sobrenadantes antecipadamente, para realizá-las de acordo com as velocidades de sedimentação definidas (a tomada de amostra no jarro está localizado 7 cm abaixo da superfície da água); Iniciar com o tempo calculado para Vs 1 a coleta considerando 12 s antes e s depois, ou seja, 2 s servem para descartar o conteúdo do tubo de coleta (tempo de coleta da amostra igual a s); Substituir os recipientes de coleta para cada velocidade de sedimentação definida; Medir os parâmetros desejados (ph, turbidez ou cor aparente da amostra nas cubetas de coleta). Parâmetros de Controle e Freqüência de Medição Os seguintes parâmetros foram medidos durante a execução do trabalho experimental: turbidez (água de estudo e água decantada), ph(água de estudo e água coagulada), cor aparente (água de estudo e água decantada), cor verdadeira (água de estudo), alcalinidade e condutividade. A freqüência adotada é apresentada na Tabela 2. TABELA 2 Parâmetros monitorados durante os experimentos. Parâmetro Água de estudo Freqüência ph X Diariamente da água bruta e dos sobrenadante nos ensaios Turbidez X Diariamente da água bruta e dos sobrenadante nos ensaios Temperatura X Diariamente e nos ensaios Alcalinidade X Diariamente Cor Aparente X Diariamente da água bruta e dos sobrenadante nos ensaios Cor Verdadeira Somente no início Diariamente Condutividade X Semanalmente A temperatura da água foi fixada na faixa de ±1 C utilizando-se ebulidor elétrico para aumentá-la, ou, gelo para diminuí-la. O gelo utilizado era formado por meio de uma garrafa de plástico fechada de 2 litros de água. Construção dos Diagramas de Coagulação Os ensaios de coagulação, floculação e sedimentação foram executados em equipamento de jarteste, com possibilidade de se ter, na mistura rápida, gradientes de velocidade de até 00 s -1. As condições para a a realização dos ensaios foram as seguintes: mistura rápida (Tmr = s, Gmr = 00 s - 1); floculação (Tmr = s, Gf = s -1 ; Tf = min); sedimentação (Vs 1 = 4 cm/min; Vs 2 = 2 cm/min). De posse dos dados de turbidez e do ph de coagulação, foram construídos os diagramas de coagulação, nos quais encontram-se assinalados os pontos dados pelos par de valores dosagem do coagulante (no eixo das ordenadas) x ph de coagulação (no eixo das abcissas), apresentando os valores de turbidez remanescente. Por meio de interpolação eletrônica, foram construídas as curvas de mesma turbidez remanescente para as duas velocidades de sedimentação consideradas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 DIAGRAMAS DE COAGULAÇÃO Sulfato de Alumínio Nas Figuras 1 e 2 são apresentados os diagramas de coagulação para o sulfato de alumínio, no qual se tem as curvas de mesma turbidez remanescente, para as velocidades de sedimentação de 4 e 2 cm/min. Para o gráfico da Figura 1, com Vs = 4cm/min, a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual a apresentou os valores do ph de coagulação entre 6,64 a 7,17 e dosagens de sulfato de alumínio, expressa em Al 2 (SO 4 ) 3 x 14,3 H 2 O, entre 52 e 68 mg/l. No caso do diagrama (ver Figura 2) correspondente à velocidade de sedimentacão de 2 cm/min, nota-se que a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual, ocorre para valores do ph de coagulação entre 6, e 7,47 e dosagens de sulfato de alumínio, como Al 2 (SO 4 ) 3 x 14,3 H 2 O, entre 32 mg/l e valores maiores que mg/l DOSAGEM DE SULFATO DE ALUMÍNIO DOSAGEM DE ALUMÍNIO (mg Al/L) Figura 1 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 4 cm/min) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 DOSAGEM DE SULFATO DE ALUMÍNIO (mg Al/L) DOSAGEM DE ALUMÍNIO Cloreto Férrico Figura 2 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) Para o gráfico da Figura 3, com Vs = 4cm/min, a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual a apresentou os valores do ph de coagulação entre 5,90 a 6,71 e dosagens de cloreto férrico comercial entre 23 e 78 mg/l. No caso do diagrama (ver Figura 4) correspondente à velocidade de sedimentacão de 2 cm/min, nota-se que a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual, ocorre para valores do ph de coagulação entre 5,84 e 7,41 e dosagens de cloreto férrico comercial entre 13 mg/l e valores maiores que mg/l. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 DOSAGEM DE CLORETO FÉRRICO (mg Fe/L) DOSAGEM DE FERRO Figura 3 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Cloreto Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 4 cm/min) DOSAGEM DE CLORETO FÉRRICO (mg Fe/L) DOSAGEM DE FERRO Figura 4 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Cloreto Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) Hidroxicloreto de Alumínio Para o gráfico da Figura 5, com Vs = 4cm/min, a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual a apresentou os valores do ph de coagulação entre 6,85 a 7,39 e dosagens de hidroxicloreto de alumínio ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 comercial entre 16 mg/l e valores maiores que mg/l. No caso do diagrama (ver Figura 6) correspondente à velocidade de sedimentacão de 2 cm/min, nota-se que a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual, ocorre para valores do ph de coagulação entre 6,73 e 8,63 e dosagens de hidroxicloreto de alumínio comercial entre 13 mg/l e valores maiores que mg/l. DOSAGEM DE HIDROXICLORETO DE ALUMÍNIO DOSAGEM DE ALUMÍNIO (mg Al/L) Figura 5 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Hidróxicloreto de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 4 cm/min) DOSAGEM DE HIDROXICLORETO DE ALUMÍNIO (mg Al/L) DOSAGEM DE ALUMÍNIO Figura 6 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Hidróxicloreto de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Sulfato Férrico Para o gráfico da Figura 7, com Vs = 4cm/min, a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual a apresentou os valores do ph de coagulação menores que 6,7 e dosagens de sulfato férrico comercial entre 17 mg/l e 53 mg/l. No caso do diagrama (ver Figura 8) correspondente à velocidade de sedimentacão de 2 cm/min, nota-se que a região delimitada pela curva de turbidez remanescente igual, ocorre para valores do ph de coagulação entre 4, e 7,09 e dosagens sulfato férrico comercial entre 13 mg/l e valores maiores que mg/l. DOSAGEM DE SULFATO FÉRRICO (mg Fe/L) DOSAGEM DE FERRO Figura 7 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 4 cm/min) DOSAGEM DE SULFATO FÉRRICO (mg Fe/L) DOSAGEM DE FERRO Figura 8 Curvas de mesma Turbidez Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 CUSTOS Os custos dos coagulantes e alcalinizante conforme Tabela 3 foram fornecidos pelo setor de Aquisição de Materiais (USMA) da Companhia de Saneamento do Paraná SANEPAR, com exceção do Hidroxicloreto de Alumínio, cujo preço foi fornecido pelo representante da Indústria PAN AMERICANA S.A. TABELA 3 Preços dos coagulantes e do alcalinizante Descrição do Coagulante Posto em Curitiba/PR Preço por Tonelada (R$) US$ (*) Sulfato de Alumínio Líquido 137,00 68,84 Cloreto Férrico líquido 290,00 1,73 Hidróxicloreto de Alumínio 0,00 1,51 Sulfato Férrico 0,00 0, Hidróxido de sódio 6,00 336,68 (*) valor considerado para o dólar fev/01 - R$ 1,99. Para cada uma das duas velocidades de sedimentação, foram selecionados pontos nos diagramas de coagulação, dados pelos pares de valores dosagem de coagulante x ph de coagulação, de modo que a trubidez remanescente resultasse inferior a, para os quais foi efetuada a comparação de custos. Na Tabela 4 são apresentados os dados correspondentes à velocidade de sedimentação de 4 cm/min, enquanto, na Tabela 5, têm-se os dados relativos à velocidade de sedimentação de 2 cm/min. TABELA 4 Comparação de Custos para Vs = 4cm/min e Turbidez Remanescente Coagulante ph de Dosagem de Dosagem de Custo Total Coagulação Coagulante Alcalinizante por 00 m 3 (mg/l) (mg/l) Real (R$) Dólar (U$) Sulfato de Alumínio Líquido 6,90 2,0 9,56 4, Cloreto Férrico Líquido 6, 0,0, 5, Hidróxicloreto de Alumínio 7, 1,5 13,00 6,53 Sulfato Férrico Líquido 6, 1,0 4,67 2, TABELA 5 Comparação de Custos para Vs = 2cm/min e Turbidez Remanescente Coagulante ph de Dosagem de Dosagem de Custo Total Coagulação Coagulante Alcalinizante por 00 m 3 (mg/l) (mg/l) Real (R$) Dolar (U$) Sulfato de Alumínio Líquido 7,05 2,5 7,16 3, Cloreto Férrico Líquido 6,90 0,0 7, 3,64 Hidróxicloreto de Alumínio 7, 0,0 9,00 4,52 Sulfato Férrico Líquido 6, 0,5 3,34 1,68 CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: a) O diagrama de coagulação constitui-se numa ferramenta de grande utilidade para definir as regiões eficientes de coagulação, para as quais se tem turbidez remanescente, após floculação e sedimentação, condizente com as desejáveis para que a filtração funcione apropriadamente; b) Pode-se conseguir grande economia no consumo de produtos químicos para o tratamento de água, quando se estuda, com os coagulantes disponíveis, os intervalos de ph e dosagens utilizando-se os diagramas de coagulação; c) Comparando os diagramas de coagulação para os diversos coagulantes estudados, verificou-se que nem sempre grandes dosagens proporcionam grande remoção de turbidez;. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 d) Com o uso de hidróxicloreto de alumínio, a coagulação resultou eficiente em ampla faixa de ph, fornecendo sobrenadante de aproximadamente a mesma turbidez para as velocidades de sedimentação estudadas; e) Dentre os coagulantes estudados, o sulfato férrico resultou em menor custo para se obter a mesma turbidez remanescente da água decantada para as duas velocidades de sedimentação consideradas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMIRTHARAJH, A.; MILLS, K. M. Rapid Mix Design For Mechanisms Of Alum Coagulation. Journal Of The American Water Works Association V. 74, n. 4, p , Apr AMIRTHARAJH, A. Tecnologias para tratamento de águas de abastecimento The mechanisms of coagulation. p., Jul BRITO, S.A. Influência da velocidade de sedimentação na determinação dos coeficientes de agregação e ruptura durante a floculação Dissertação Mestrado EESC-USP, São Carlos, Brasil, DI BERNARDO, L. Métodos e técnicas de tratamento de água Rio de Janeiro: ABES, V. I e II, PAVANELLI, G. Eficiência de Diferentes Tipos de Coagulantes na Coagulação, Floculação e Sedimentação de Água com Cor e Turbidez Elevada Dissertação de Mestrado EESC-USP, São Carlos, Brasil, 01. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental