Introdução à Engenharia Ambiental

Transcrição

1 Introdução à Engenharia Ambiental Introdução ao tratamento de água- Aula 6 Alberto Dresch Webler 1

2 O que veremos hoje! Redução de dureza da água; Coagulação e floculação; Sedimentação; Filtração; Desinfecção. 2

3 Tratamento de água Muitos aquíferos e fontes de águas superficiais isoladas possuem água de boa qualidade que pode ser bombeada a partir da rede de suprimento e distribuição direta para atender a uma variedade de tipos de utilização,,, e. Controle de incêndios Processos industriais Consumo humano Irrigação

4 Tratamento de água No entanto, tais fonte de água limpa são a exceção a regra, particularmente em regiões com alta densidade demográfica ou que apresentam alta concentração de produção agrícola. Nestes caso, o fornecimento de água deve receber diferentes níveis de tratamento antes da distribuição. 4

5 Tratamento de água Uma típica instalação para tratamento de água é representada na Figura a seguir. Mistura de químicas Tanque de sedimentação Cloração Zona de floculação Filtro Reservatório 5

6 Tratamento de água Tais instalações são constituídas por uma série de reatores ou operações unitárias, com água fluindo de um para outro a fim de atingir o produto final desejado. Água a níveis desejados. Cada operação é projetado para desempenhas uma função específica, e a ordem dessas operações é de suma importância. 6

7 Redução de dureza das águas É necessário reduzir a dureza de algumas águas (tanto superficial como subterrânea) para que possa ser utilizada como fonte de água potável. A dureza é causada por cátions multivalentes (ou minerais), como cálcio, magnésio e ferro que são dissolvidos dos solos e rochas (particularmente da rocha calcária). Apesar de a dureza não causas problemas a saúde, ela reduz a eficácias de sabões e causa a formação de crostas. 7

8 Tratamento de água A reação íons de dureza com sabões resulta em acumulo de sujeira na banheira e reduz a quantidade de espuma. Vamos testar! A tarde faremos isso. 8

9 Tratamento de água Coagulação e floculação Águas superficiais não tratadas que entram em uma instalação de tratamento de águas, em geral, apresentam grau significativo de turbidez causada por minúsculas partículas (coloides) de argila e silte

10 Tratamento de água Coagulação e floculação Essas partículas possuem uma carga eletrostática natural que as mantém constantemente em movimento e evita que se atraiam e se aglomeram. Os produtos químicos, como a cal e os polímeros, são adicionados a água, á principio, para neutralizar a carga das partículas e, depois, para auxiliar na aglomeração das partículas pequenas para que possam unir-se e formar partículas grandes de rápida sedimentação. 10

11 Tratamento de água Coagulação e floculação Assim, o objetivo é retirar da água os sólidos coloidais suspensos, produzindo partículas maiores que sedimentam imediatamente. A coagulação é a alteração química das partículas coloidais menores para que possam se aglutinar e formar partículas maiores conhecidas como flocos. 11

12 Tratamento de água Coagulação e floculação Dois mecanismos são considerados importantes no processo de neutralização da carga de coagulação e formação de pontes. A neutralização da carga ocorre quando o coagulante (por exemplo Íon de alumínio) é utilizado para reagir com as cargas das partículas coloidais. As partículas coloidais em água naturais, normalmente, possuem cargas negativas e, quando suspensas na água, repelem umas às outras em função de suas cargas serem iguais. 12

13 Tratamento de água Coagulação e floculação Isso faz com que a suspensão seja estável e evita que as partículas aglutinem-se. Os íons positivos adicionados à água são atraídos pelas partículas de carga negativa, comprimindo a carga negativa das malha nas partículas e fazendo com que o ocorra a desestabilização de suas cargas. Tal aumento na instabilidade coloidais das partículas tornam mais propensas a colidirem e formar partículas maiores. 13

14 Tratamento de água Coagulação e floculação O segundo mecanismo é a formação de pontes, no qual as partículas coloidais unem-se em virtude da formação de macromoléculas pelo coagulante, como na figura a seguir. As macromoléculas (ou polímeros) possuem pontos de carga positiva, com os quais se prendem às partículas, formando uma ponte no vão entre as partículas maiores. 14

15 Tratamento de água Coagulação e floculação Os dois mecanismo são importantes no processo de coagulação com alúmen. Quando o sulfato de alumínio, Al 2 (SO 4 ) 3, é adicionado à agua, o alúmen inicialmente se dissolve para formar íons de alumínio, Al 3+, e de sulfato, SO 4 2. Mas, o íon de alumínio é instável para formar vários óxidos e hidróxidos de alumínio carregados. A combinação específica desses componentes depender do ph da água, da temperatura e do método de mistura. 15

16 Tratamento de água Coagulação e floculação Em função de muitas das formas macromoleculares desejáveis de hidróxido de alumínio se dissolverem a um ph baixo, normalmente, adiciona-se cal (Ca(OH) 2 ) para elevar o ph. Uma parte do cálcio precipita como carbonato de cálcio (CaCO 3 ), auxiliando na sedimentação. São realizado teste de jarro para escolher o melhor coagulante e obter uma estimativa da dose mínima necessária. 16

17 Tratamento de água Coagulação e floculação Em geral, o teste é realizado com seis recipientes com amostras de água a ser tratada. Cada recipiente recebe um produto químico ou uma dose de produto diferente, e depois de ser misturado, observam-se as características de sedimentação dos sólidos, e, então, são escolhidos o produto e a dose mínima necessários para remoção adequada dos sólidos. 17

18 Tratamento de água Coagulação e floculação Também é preciso medir a alcalinidade da água forem utilizados sais metálicos, como o alúmen, pois eles reagem com a alcalinidade na água, reduzindo sua capacidade. 18

19 Exemplo Dados os seguintes resultados de testes de jarro, qual a dose de polímero que deve ser utilizada? Recipiente n Alúmen (mg/l) Polímero (mg/l) 0,25 0, Turbidez (UT) 0,9 0,7 0,4 0,3 0,7 1,0 19

20 Exemplo Quanto vcs utilizariam? 1 ou 2mg/L? Com esses dados, possivelmente 1, porém seria interessante refazer com valores variando entre 1 e 2. 20

21 Sedimentação Quando os flocos estiverem formados, devem ser separados da água. Isso é feito, invariavelmente, em tanque de sedimentação por ação da gravidade (ou decantadores) ao, simplesmente, permitir que as partículas mais pesadas que a água sedimentem no fundo. Os decantadores são projetados de forma a se próxima da função de um reator de vazão a pistão, ou seja, a intenção é minimizar toda a turbulência. 21

22 Sedimentação Afluente proveniente do floculador Vertedor Defletor Válvula de descarga de lodo Efluente para o filtro Lodo 22

23 Filtração É um processo similar que ocorre com as águas subterrâneas. Pode se observar que a passagem da água através do solo remove muito dos elementos contaminantes. Então, os engenheiros ambientais aprenderam a aplicar esse processo natural aos sistemas de tratamento de água e desenvolveram o que conhecemos como filtro rápido de areia. Que é um filtro com areia que envolve duas etapas. Lavagem e filtração. 23

24 Filtração Uma versão simplifica do filtro rápido de areia é ilustrada em um desenho em corte. Nível de água de filtração. Nível da água durante a lavagem Reservatório de água de lavagem Entrada do decantador. Dreno de lavagem. Subdrenos. Distribuição para a cidade. 24

25 Filtração Á água que vem da saída do decantador entra no filtro e passa através das camadas de areia e cascalho, depois por um fundo falso e sai para um reservatório de água tratada que armazena a água final. Durante a filtração, as válvulas A e C ficam abertas. As vezes, também se utiliza o antracito na camada do filtro, um tipo de carvão capaz de remover materiais orgânicos dissolvidos. 25

26 Filtração

27 Filtração Os sólidos suspensos que escapam da floculação e das etapas de sedimentação são retidos nas partículas de areia do filtro, por fim obstruindo o filtro rápido, daí resultando em uma grande perda de carga através do filtro; consequentemente, há necessidade de limpeza do filtro. Essa limpeza é executada hidraulicamente através de um processo chamado retrolavagem. 27

28 Filtração O operador primeiro fecha a vazão de entrada e a saída do filtro (fechando as válvulas A e C) e, então, abre as válvulas D e B, que permitem que a água de lavagem (água limpa armazenada em um tanque elevado ou bombeada de um reservatório de água tratada) entre por baixo da camada do filtro. Esse jato de água força a expansão (fluidificação) das camadas de areia e cascalho e revolve as partículas de areia umas contra as outras. 28

29 Filtração Os sólidos suspensos que estavam presos dentro do filtro são liberados e saem com a água de lavagem. Após, no mínimo, 15 minutos, o fluxo da água de lavagem é interrompido e a filtração é reiniciada. As instalações de tratamento precisam minimizar a frequência de retrolavagem, pois esse processo gasta energia e uma quantidade significativa de água, o produto obtido pela instalação. Vídeo. 29

30 Filtração Além disso, pode ser que seja necessário tratar essa água antes do descarte. Os filtros compõem um processo muito importante para atingir os limites de turbidez. Um projeto comum e parâmetro operacional é a taxa de filtração (ou carga do filtro), que é a taxa da água aplicada à área de superfície do filtro. 30

31 Filtração Filtro Lento No filtro lento, as baixas taxas de filtração (3 a 9 m3/m2.d) determinam um desempenho bastante diferente daquele característico dos filtros rápidos. Ao contrário desses, a camada superficial do filtro é a responsável por praticamente todo o mecanismo de filtração. Na superfície do leito, a baixa taxa de aplicação permite a formação de uma camada biológica gelatinosa, constituída por bactérias, algas e plâncton em geral, capaz de exercer uma eficiente função bactericida. 31

32 Filtração Filtro Lento Fisicamente, o filtro é constituído de um tanque, onde é colocada uma camada de areia fina, com espessura entre 0,90 e 1,20 m, sobre uma camada de cascalho, com espessura entre 0,20 e 0,45 m. Sob a camada de cascalho, é previsto um sistema de drenagem, para recolhimento da água filtrada. 32

33 Filtração Filtro rápido Os filtros rápidos (taxa de filtração entre 120 e 360 m3/m2.d) surgiram da necessidade de uma maior vazão para o atendimento de grandes cidades. Para estas cidades, o filtro lento ocuparia áreas muito grandes. Os processos de clarificação que antecedem a filtração rápida permitem o aproveitamento de águas superficiais menos resguardadas e mais próximas do centro de consumo. Ao mesmo tempo, os filtros rápidos exigem maior controle operacional e pessoal mais qualificado. 33

34 Exemplo Qual é a taxa de filtração para um filtro de 5x4metros, se ele receber 3000m³.dia -1 de água? Taxa de filtração= Q As 34

35 Desinfecção A água deve ser desinfectada para destruir quaisquer organismos patogênicos que possa nela restar. Realiza-se um processo de pré-cloração antes da filtração para ajudar a manter o filtro livre do crescimento de organismos e fornecer tempo de contato adequado com o desinfetante. Uma desinfecção apropriada é um balanço entre a concentração de desinfectante (C) e o tempo de contato (TO, uma análise conhecida como conceito CT). 35

36 Desinfecção Normalmente, a desinfecção é feita com cloro, que pode ser adquirido na forma líquida sob pressão, e liberado na água em forma de gás, utilizando um sistema de alimentação de cloro. O cloro dissolvido oxida materiais orgânicos, inclusive organismo patogênicos. A presença de um resíduo de cloro ativo na água indica que não mais organismos a serem oxidados e a água pode ser considerada livre de organismos causadores de doenças. 36

37 Desinfecção Á água bombeada para os sistema de distribuição, geralmente, contém resíduos de cloro para protege-la dentro do próprio sistema. É por essa razão que a água de fontes potáveis ou torneiras possui um leve sabor de cloro. Quando o cloro é adicionado à água, ele forma ácido hipocloroso (HOCl), um ácido fraco que desassocia os íons de hipoclorito (OCl - ) acima do ph 6. 37

38 Desinfecção Essa duas espécies são definidas como cloro livre disponível. Quando há a presença de compostos de amônia ou nitrogênio orgânico, o HOCl reage com esses elementos para formar cloraminas, que são definidas como cloro combinado disponível. As cloraminas não são desinfectantes tão fortes quanto o cloro livre, porém são mais estáveis. 38

39 Desinfecção Uma grande preocupação quanto ao uso do gás cloro e compostos de hipoclorito para desinfetar a água é a formação de elemento derivados da desinfecção, composto indesejáveis como os trihalometanos (THMs), formados pela reação do cloro com matéria orgânica e supostos elementos cancerígenos. O dióxido de cloro não reage com elemento orgânicos, então não formara THMs. 39

40 Desinfecção Outras opções para desinfectar a água são a utilização de luz ultravioleta e a ozonização, que evitam a formação de THMs, mas não fornecem uma proteção residual à água no sistema de distribuição. 40

41 Desinfecção portuguese.alibaba.com 41

42 Provinha na próxima aula Redução de dureza, coagulação, sedimentação e desinfecção. 42