I Congresso Baiano de Engenharia Sanitária e Ambiental - I COBESA

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1 O FOULING NO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES ATRAVES DE PROCESSOS DE MEMBRANAS: O ESTADO-DA-ARTE EM ESTUDOS DO FENÔMENO E TECNOLOGIAS E ESTRATÉGIAS PARA SUPERAÇÃO DO PROBLEMA Albérico R. P. da Motta (1) Engenheiro Civil e Engenheiro Sanitarista pela Universidade Federal da Bahia (1980 e 1985) e Mestre em Engenharia Ambiental pela University of Newcastle upon Tyne - Inglaterra (1994). Jácina Tábita Gurgel Morais Pós-graduação em Engenharia Industrial, Universidade Federal da Bahia. Karla Patricia OLIVEIRA-ESQUERRE Eng.a Química, UFAL, 1998; Mestrado e Doutorado em Engenharia Química, UNICAMP, 2000 e 2003; Pós-doutorado em Engenharia Sócio-Ambiental, Universidade de Hokkaido, Japão, ; Professora do Departamento de Engenharia Química. Pesquisador da Rede de TECLIM. Asher KIPERSTOK Eng.º Civil, Technion, 1974; Mestrado em Engenharia Química, UMIST, Inglaterra, 1994; Doutorado em Engenharia Química, UMIST, Coordenador da Rede TECLIM. Endereço (1) : Universidade Petrobras. Av. Tancredo Neves, 1368 Caminho das Arvores - CEP: Brasil - Tel: +55 (71) Fax: +55 (71) arpmotta@petrobras.com.br RESUMO Os Processos de Separação por Membranas (PSMs) para tratamento de água e efluentes vem ganhando crescente e destacada importância atualmente. Uma das razões para tal é a vasta possibilidade de aplicação desses processos, não apenas em substituição aos convencionais, mas também como uma alternativa factível para tratamento de água proveniente de fontes que, usualmente, não são utilizadas. Entretanto, um dos grandes obstáculos para que os PSMs deslanchem de forma definitiva é o fouling. O fenômeno consiste na deposição e acumulação de sólidos na superfície das membranas e pode ser classificado em causado por sólidos orgânicos ou inorgânicos ou por microorganismos (biofouling). As principais conseqüências de sua ocorrência são a redução do fluxo de permeado e a elevação da pressão trans-membrana (PTM). Além disso, causa deterioração da qualidade do permeado. Este artigo descreve as experiências mais recentes em termos de estudos sobre o fouling e das tecnologias e estratégias para sua superação. Os estudos buscam o entendimento do fenômeno como os tipos de fouling. As tecnologias destacam os processos utilizados para pré-tratamento da água ou dos efluentes precedendo ao processo de membrana utilizado. Por fim, as alternativas buscam soluções operacionais que visem atenuar o problema. PALAVRAS-CHAVE: membranas, água produzida de petróleo, fouling. INTRODUÇÃO Os Processos de Separação por Membranas (PSMs) para tratamento de água e efluentes vem ganhando crescente e destacada importância atualmente. Uma das razões para tal é a vasta possibilidade de aplicação desses processos, não apenas em substituição aos convencionais, mas também como uma alternativa factível para tratamento de água proveniente de fontes que, usualmente, não são utilizadas. Entre esses processos se destacam a dessalinização da água do mar ou de aqüíferos salinos e o tratamento de efluentes industriais ou esgotos sanitários com fins de reuso. Esses últimos processos se constituem em aspectos particularmente importantes, quando se considera a atual preocupação com escassez de água e com a crescente e gradual deterioração dos mananciais utilizados para abastecimento. Com relação ao tratamento convencional, os PSMs apresentam uma série de vantagens como a remoção de compostos específicos (como pesticidas e metais) o fato de prescindir da utilização de compostos químicos (no caso de produção de água clarificada e de água desinfetada) e as reduzidas dimensões das instalações. Entretanto, um dos grandes obstáculos para que os PSMs deslanchem de forma definitiva é o fouling. O fenômeno consiste na deposição e acumulação de sólidos na superfície das membranas e pode ser classificado em causado por sólidos orgânicos (proteínas ou polisacarídeos) ou inorgânicos (coloidais, dissolvidos ou incrustações) ou por microorganismos (biofouling). As principais conseqüências de sua ocorrência são a redução do fluxo de permeado e a elevação da pressão trans-membrana (PTM). A redução do fluxo provoca um aumento na freqüência de reposição da Salvador, Bahia 11 a 16 de julho de

2 membrana, o que, eleva os custos operacionais e de manutenção. Além disso, causa deterioração da qualidade do permeado. OBJETIVOS Este artigo descreve as experiências mais recentes em termos de estudos sobre o fouling e das tecnologias e estratégias para sua superação. Os estudos buscam o entendimento do fenômeno como os tipos de fouling, a constituição das partículas que formam os depósitos e os efeitos causados por esses depósitos, tanto de forma separadamente quanto combinada. As tecnologias destacam os processos utilizados para pré-tratamento da água ou dos efluentes precedendo ao processo de membrana utilizado. Por fim, as alternativas buscam soluções que visem atenuar de forma considerável o problema, o que inclui o controle operacional do processo. ESTUDOS SOBRE O FOULING E TECNOLOGIAS E ESTRATÉGIAS PARA SUA SUPERAÇÃO Entre as pesquisas desenvolvidas na superação do problema do fouling, destacam-se as relacionadas com os estudos para entendimento do problema, os procedimentos operacionais e as tecnologias utilizadas. Alguns dos principais trabalhos desenvolvidos recentemente com relação a esses aspectos estão apresentados nos itens seguintes. ESTUDOS SOBRE O ENTENDIMENTO DO FENÔMENO Com relação aos estudos, diversos aspectos têm sido investigados ao longo do processo de entendimento do fenômeno de fouling. Em um desses estudos foi investigado o efeito combinado de partículas na ocorrência de fouling em membranas de Nanofiltração (NF), quando usadas para o tratamento de efluentes (LAW et al, 2009). Foi destacado que os dois principais tipos causadores de fouling em efluentes são partículas coloidais e matéria orgânica solúvel. Essas últimas são constituídas por proteínas, polissacarídeos, ácidos húmicos e matéria orgânica natural. Dessas partículas, proteínas e polissacarídeos têm sido identificados como os maiores agentes causadores do fenômeno. Apesar de muitos estudos já haverem sido desenvolvidos na área de fouling de membranas causados por proteínas, polissacarídeos e partículas coloidais, pouca investigação tem sido desenvolvida sobre os efeitos combinados desses agentes. Foi sugerido que havia diferenças entre o efeito combinado dessas partículas e a soma dos efeitos individuais e que as interações entre esses agentes estão correlacionadas ao declínio do fluxo de permeado. Os resultados comprovaram os efeitos sinergéticos entre esses agentes. As principais justificativas foram; o preenchimento do espaço entre os poros dos colóides por matéria orgânica na camada de torta, o impedimento da retro-difusão e a redução das forças eletrostáticas de repulsão dos colóides pela adsorção de matéria orgânica. Em outro estudo, GAVAL et al (2009), estudaram a caracterização do fouling causado por matéria orgânica e o do tipo biológico (consideraram que a caracterização do inorgânico já vem sendo explorada de forma mais intensa). Para tanto, estudaram o comportamento de quatro plantas de tratamento de água ou efluentes, uma com processo de NF e três com processo de Osmose Reversa (OR), nesse caso, denominados OR-1, OR-2 e OR-3. O tipo de água ou efluente usado e o de água ou efluente tratado produzido em cada planta estão apresentados a seguir: água superficial para produção de água potável na planta de NF, efluentes industriais (85%) misturados com chorume (15%) para geração de efluentes tratados para OR-1, água salobra para produção de água com alta qualidade para a OR-2 e água salgada para produção de água dessalinizada para a OR-3. O estudo foi desenvolvido através de autópsias dos módulos dessas membranas, seguido de caracterização de seus depósitos. Um aspecto geral importante encontrado foi o teor de água presente nos depósitos, que variou de 75% a 95%, Com relação a caracterização da matéria orgânica, o trabalho revelou que, para todos as plantas estudadas, a sua fração dissolvida é compreendia por biopolímeros, aspecto que, segundo os autores, já havia sido evidenciado em trabalhos anteriores. Exceto no caso da planta OR-1, onde predominou a presença de proteínas, verificou-se que os biopolímeros encontrados eram, particularmente, polissacarídeos. A caracterização biológica dos depósitos revelou uma elevada concentração de células (>10 7 cells /cm² ). Além disso, a concentração de células ativas era de, pelo menos, (>10 6 cells /cm² ), o que indica uma significante atividade biológica para as membranas das plantas estudadas. Ressalta-se que o estudo não considerou o desenvolvimento de algas, o que poderia contribuir para a formação do biofilme. 2 Salvador, Bahia 11 a 16 de julho de 2010

3 CONTROLE DE PARÂMETROS E PROCEDIMENTOS OPERACIONAIS Vários aspectos relacionados com os problemas operacionais têm sido investigados. Em um desses trabalhos (YUN et al, 2009), foram testados diversos parâmetros operacionais em membranas de Ultrafiltração (UF) com fibras ocas usadas como pré-tratamento para membranas de Osmose Reversa (OR) em processo de dessalinização da água do mar. É destacado que, apesar das vantagens do processo de membranas de UF com fibra-ôca apresentarem várias vantagens, como boa qualidade da água de alimentação da OR e menor uso de produtos químicos para limpeza, para se manter as mesmas operando com uma eficiência significativa ainda são requeridos cuidados com limpeza, tanto por meios físicos quanto químicos. Entre os meios físicos de limpeza estão o relaxamento e a retro-lavagem. Buscando aperfeiçoar a eficiência de filtração, foram estudados os parâmetros operacionais ligados a retrolavagem/relaxamento como tempo de filtração, tempo de retro-lavagem/relaxamento e a intensidade da retro-lavagem. Verificou-se que um aumento da intensidade de retro-lavagem minimiza o fouling até certo ponto. Contudo, um aumento adicional, além de não surtir um efeito desejado, pode levar a ocorrência de fouling ainda mais severo. Com relação ao tempo de retro-lavagem, verificou-se que um incremento de, até, 30 segundos, pode minimizar o fouling. Um incremento adicional, contudo, não conduzia a nenhum benefício. Além disso, um incremento acima de 3600 segundos podia conduzir a um fouling mais irreversível. Em outro estudo, ODA (2009), buscaram o aprimoramento da eficiência de um sistema de tratamento de esgotos sanitários e produção de água para reuso através do processo de Bioreatores com Membranas (MBR) seguido de OR (MBR+OR) testando diferentes valores para o Tempos de detenção hidráulica (TDH). O estudo foi desenvolvido em uma planta piloto e a avaliação da eficiência foi baseada na qualidade do efluente e na permeabilidade da membrana. O TDH no interior do MBR variou entre 5 e 8 horas. Em paralelo, algumas características do líquido no interior do Tanque de Aeração foram estudadas, uma vez que elas afetam a eficiência do MBR. Essas características são viscosidade da suspensão, filtrabilidade através de papel-filtro e turbidez da água filtrada no papel-filtro. O objetivo foi investigar a relação entre o fouling e as características do líquido e da biomassa do reator. Algumas conclusões relevantes foram obtidas do estudo. Uma delas é que a qualidade do permeado do processo MBR+OR permaneceu estável; os TDHs entre 5 e 8 horas não tiveram impacto algum na qualidade da água produzida. Alguns dos parâmetros usados para acessar a qualidade dessa água foram a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) e Sólidos em suspensão (SS). Outro aspecto importante foi que a permeabilidade da membrana de OR também permaneceu estável, não sendo afetada pelo TDH no MBR. Um terceiro aspecto foi que a filtrabilidade através de papelfiltro e turbidez da água filtrada no papel-filtro se constituíram em parâmetros analíticos relevantes para avaliar as condições do lodo. O primeiro pode ser associado com a concentração de biomassa no reator, enquanto que o último (turbidez) pode ser associado à qualidade do lodo, por exemplo, a partir de determinado valor, como 10 NTU o lodo pode ser considerado pobre em termos da qualidade requerida para a eficiência do processo. TECNOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO APLICADAS De modo geral, as tecnologias de pré-tratamento aplicadas visam atenuação dos efeitos gerados pelas partículas causadoras do fouling, quer através da redução da concentração desses compostos, quer através da remoção de partículas específicas. Em um dos trabalhos recentes (HUCK et al, 2009) foi investigado o processo de biofiltração (sem coagulação prévia ou adição de ozônio) como pré-tratamento para redução de fouling causados por biopolímeros (carboidratos e proteínas) em membranas de UF usadas na produção de água potável. Os resultados obtidos foram encorajadores e indicaram que esse processo poderá ser de particular interesse em plantas de pequeno porte ou que estão localizadas em áreas isoladas onde um elevado custo de investimento é aceitável. Isso se deve a simplicidade e os baixos custos operacionais desse processo de pré-tratamento. Em outro trabalho, é testado o processo de pré-tratamento por carvão ativado para atenuação de fouling em membranas de OR (van der MASS; MAJOOR; SCHIPPERS 2009). A alimentação dessas membranas de OR é feita com água Salvador, Bahia 11 a 16 de julho de

4 tratada por processo de membranas de Ultrafiltração (UF). O sistema OR + UF tem o objetivo de produzir água ultrapura a partir dos efluentes de uma planta de esgotos sanitários, com tratamento a nível secundário. esgotos sanitários. A água ultrapura será usada para produção de vapor a ser utilizado em poços de produção de petróleo visando aumentar a produtividade (processo de recuperação terciária). A utilização do carvão ativado, nesse caso, visa a atenuação de biofouling nas membranas de OR. A alternativa foi investigada em substituição a métodos tradicionalmente usados de aplicação de biocidas. Os resultados obtidos indicaram que o processo se trata de uma técnica promissora. A elevada eficiência do processo foi atribuída à remoção de substrato facilmente degradável da água, através de adsorção pelo carvão ativado. Esse fato limita o desenvolvimento do biofouling nas membranas, o que não ocorre quando o pré-tratamento da OR é feito apenas com UF. Em outro trabalho, Fan e Roddick (2009), estudaram a Flotação a Ar Dissolvido (FAD) e Resinas de Troca Catiônicas (RTC) como processos de pré-tratamento para atenuação do fouling em membranas de UF usadas para tratar efluentes provenientes de processo de tratamento secundário de esgotos sanitários destinados a reuso. Destacaram que o processo de UF é muito efetivo para aplicação em casos em que se visa o reuso, uma vez que remove os vários tipos de compostos orgânicos remanescentes além de microorganismos patogênicos. Entretanto, as membranas de UF ficam expostas a condições severas de fouling causados pela matéria orgânica presente. Os autores reportaram ainda trabalhos realizados previamente para condições similares usando processos de Filtração, Coagulação Química (com agentes coagulantes a base de alumínio e ferro) e Resinas de Troca Aniônicas (RTA). Desses últimos, a Coagulação química foi o processo que apresentou melhores resultados, em termos de melhoria da eficiência das membranas de UF. Dessa forma, o processo de FAD foi também estudado de duas formas, individualmente e precedido de Coagualação com agentes coagulantes a base de alumínio. Um importante aspecto ressaltado pelos autores é que os processos de FAD e RTC já tinham tido suas eficiências reportadas em trabalho prévio que utilizava águas de superfície. Naquele caso, a eficiência dos dois processos foi atribuída à remoção de finas partículas ou cátions divalentes, como Ca e Mg da água, aliviando, assim, o bloqueio dos poros das membranas, ou o efeito de criação de pontes dos cátions divalentess entre as moléculas orgânicas carregadas negativamente e as membranas também carregadas negativamente. Dos processos testados nesse trabalho, o melhor resultado foi obtido com a combinação dos processos de Coagulação em conjunto com FAD. Os processos de Coagulação puramente também apresentaram resultados significativos. A boa eficiência dos processos de coagulação foi atribuída a remoção de alguns dos compostos orgânicos de elevado potencial para fouling como produtos microbiais solúveis e proteínas. Os processos de FAD e RTC não apresentaram eficiência significativa quando testados separadamente, REFERÊNCIAS 1. FAN, L.; RODDICK, F.A. Fouling mitigation by feed pre-treatment in the ultrafiltration of an activated-sludge lagoon effluent for water reuse. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. 2. GAVAL G. et al. Characterization of membrane fouling in water treatment processes: case studies. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER 4 Salvador, Bahia 11 a 16 de julho de 2010

5 TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. 3. HUCK, P.M. et al. Pilot scale evaluation of biofiltration as an innovative pre-treatment for UF membranes for drinking water treatment. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. 4. LAW, C.M.C.; X.Y., Li; QILIN, Li. The combined colloid-organic fouling on nanofiltration membrane for wastewater treatment and reuse. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. 5. ODA, Yasuo et al. Long-Term membrane evaluation in MBR-RO process for wastewater reclamation. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. 6. van der MAAS, Peter; MAJOOR, Elbert; SCHIPPERS, Jan. Biofouling control by biological activated carbon filtration: a promising method for WWTP effluent reuse. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. 7. YUN, Ye et at. Submerged hollow fibre system as pre-treatment for the sea water reverse osmosis: Effect of the operation conditions and the characterisations of the permeate quality. In: IWA SPECIALISED MEMBRANE TECHNOLOGY CONFERENCE FOR WATER AND WASTEWATER TREATMENT, 5., 2009, Beijing. [Proceedings ] Beijing, CD-ROM. Salvador, Bahia 11 a 16 de julho de