ESTUDO DA REMOÇÃO DA COR POR COAGULAÇÃO QUÍMICA NO

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1 ESTUDO DA REMOÇÃO DA COR POR COAGULAÇÃO QUÍMICA NO TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO STUDY OF COLOR REMOVAL BY CHEMICAL COAGULATION IN THE CONVENTIONAL WATER TREATMENT FABIANO CÉSAR TOSETTI LEAL Engenheiro Civil (UFJF), Especialista em Engenharia Sanitária e Ambiental (UFMG), Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos (UFMG), Professor Assistente do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal de Juiz de Fora MARCELO LIBÂNIO Engenheiro Civil e Mestre em Engenharia Sanitária (UFMG), Doutor em Hidráulica e Saneamento (USP), Pesquisador do CNPq, Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG Recebido: 05/11/01 Aceito: 25/11/02 RESUMO O presente trabalho teve como objetivo contribuir para o estudo da remoção da cor natural em duas unidades de tratamento convencional, por meio da avaliação de metodologia para seleção do coagulante, de coagulação e dosagens ótimas, considerando as características da água bruta, os parâmetros hidráulicos intervenientes nos processos e operações unitárias da potabilização, bem como as vazões respectivas de 560 L/s e 620 L/s afluentes à ETA I, e 700 L/s e 986 L/s afluentes à ETA II. Para a ETA I foi ainda possível a aplicação dos resultados de laboratório em escala real, o que permitiu uma melhor avaliação da metodologia proposta. Ao final dos testes concluiu-se pela aplicabilidade da metodologia estudada, principalmente pela incorporação de parâmetros hidráulicos reais nos testes de jarros, permitindo uma maior proximidade entre a escala ampliada da estação e a reduzida de laboratório. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, remoção da cor, coagulação. ABSTRACT The present research has the main purpose to bring a contribution for the study of natural color removal within two conventional water treatment plants, through the evaluation of a coagulant selection methodology, coagulation and optimized dosages, considering the raw water characteristics, the hydraulic parameters involved in the treatment unitary operation and process, as well as the outflow rates of 560 L/s and 620 L/s for the WTP I and 700 L/ s and 986 L/s for the WTP II. The laboratory results application in real scale was possible for the WTP I, and that allowed a more accurate evaluation of the proposed methodology. At the end of the tests it was possible to conclude about the concrete possibility of using the methodology that was studied, especially by incorporating real hydraulic parameters in the jar tests. That brought the plant s real scale closer to the laboratory s. KEYWORDS: Water treatment, color removal, coagulation. INTRODUÇÃO E MECANISMOS DE REMOÇÃO DA COR De forma geral a cor nas águas pode resultar dos processos de decomposição da matéria orgânica, da presença de íons metálicos naturais como o ferro e o manganês, bem como do lançamento de diversos tipos de despejos industriais. Em particular a cor natural nas águas, principalmente a cor verdadeira, apresenta como agentes causadores substâncias húmicas e fúlvicas, as quais apresentam-se sempre em estado coloidal. Estas substâncias, segundo LETTERMAN et al (1999), podem derivar-se do solo ou ainda, por serem os principais componentes da matéria orgânica natural presente nas fontes de água, serem produzidas dentro do meio líquido, por reações químicas e biológicas de decomposição de sedimentos da matéria vegetal presente. Até o final do século XIX a remoção da cor não era tida como objetivo relevante das tecnologias de tratamento disponíveis, não havendo, inclusive, entendimento apropriado sobre o que causava e/ou representava a cor nas águas de abastecimento, sendo o termo cor usualmente empregado para retratar elevadas magnitudes de turbidez. Diferenciação mais clara entre os conceitos de cor e turbidez foi apresentada em 1830, em Londres, pelos estudos do Dr. John Bostock, e somente em 1862 a cor na água foi associada à presença de substâncias químicas, como os óxidos hidratados de ferro ou substâncias orgânicas, como os húmus, em pesquisa do físico e professor alemão Wilhelm von Beetz (BAKER, 1949). Segundo VIANNA (1997) até recentemente não eram associados inconvenientes sanitários à presença de cor na água, como algum tipo de toxidez ou intolerância orgânica. A partir da comprovação no final da década de setenta de que os produtos da decomposição da matéria orgânica, cau- 117

2 Leal, F.C.T. & Libânio, M. sadores da cor, são precursores de substâncias potencialmente carcinogênicas, quando a água é desinfetada por compostos inorgânicos de cloro, atenção crescente passou a ser dispensada à sua remoção. Acrescente-se ainda que a presença de matéria orgânica em decomposição e o lançamento de despejos domésticos e industriais podem causar odor e sabor às águas, classificando este parâmetro de qualidade como causado, respectivamente, por fontes naturais ou artificiais. Nesta vertente, LETTERMAN et al (1999) afirmam que há uma relação intrínseca entre a quantidade de subprodutos formados e a concentração de carbono orgânico total (COT), medida mais usual da matéria orgânica natural presente, exemplificando esta correlação por meio de estudo utilizando dados relativos a águas subterrâneas, águas utilizadas na agricultura e uma grande variedade de águas superficiais. Determinou-se elevada e significativa correlação (r 2 = 0,936 e n = 133), entre a formação potencial de trihalometanos (FPTHM), em mg/l, e a concentração de COT, em mg de C/L, conforme testifica a equação (1): FPTHM = 43,78 COT 1,2148 (1) FAUST & ALY (1999) relatam um estudo semelhante realizado na California (EUA) com as águas oriundas de solos agriculturáveis apontando concentrações de FPTHM de 208 a 3580 mg/l e forte correlação (r 2 = 0,98) entre tais compostos e o carbono orgânico dissolvido, materializada na equação (2): FPTHM = 1,07 COD 5,00 (2) Destaca-se que nos estudos referenciados, r 2 representa o percentual de uma das variáveis que é explicado pelas variações da outra variável e n o número de testes, ou análises, realizados na comprovação. Segundo SANTAELLA et al (1996), entre as principais técnicas disponíveis para remoção dos compostos causadores de cor, destacam-se, além da remoção biológica pela ação de microrganismos que os utilizariam como fonte de carbono, a coagulação/floculação com sais de ferro ou alumínio seguida por sedimentação ou flotação, a adsorção em carvão ativado, a ozonização, a troca iônica, a osmose reversa e a ultrafiltração. Dentre estas destaca-se como mais usual a coagulação com sais de ferro ou alumínio (DENNETT et al, 1996; EDWARDS. & AMIRTHARAJAH, 1985; LETTERMAN et al, 1999). Na linha da remoção destes precursores por coagulação/floculação, LETTERMAN et al (1999) afirmam ainda que considerável atenção está sendo dirigida para a remoção de matéria orgânica natural por coagulação no tratamento da água, mesmo quando a remoção de cor não é o principal objetivo. Justificam a afirmação por meio de uma norma estabelecida pela United States Environmental Protection Agency (USEPA) referente à formação de subprodutos da desinfecção, que determina a remoção da matéria orgânica natural, em sistemas de tratamento convencional, por meio de dosagens incrementais do agente coagulante. DENNETT et al (1996) e EDWARDS & AMIRTHARAJAH (1985) afirmam que a eficiência da coagulação na remoção da matéria orgânica dissolvida presente é dependente da concentração inicial das substâncias húmicas na água, da dosagem do coagulante empregado e do ótimo de coagulação, informando ainda que remoção mais efetiva de cor ocorre para faixas mais baixas de do que aquelas normalmente requeridas para remoção de turbidez. Relatam, ainda, que estudos desenvolvidos por outros pesquisadores indicam que a remoção da matéria orgânica dissolvida, e conseqüentemente da cor, ocorre por mecanismos similares ao da remoção da turbidez, ou seja, quando se considera a tecnologia convencional de tratamento da água, pelos mecanismos de adsorçãoneutralização de cargas, varredura, ou conjunção de ambos, e formação de pontes químicas quando do emprego de polímeros. Finalmente, exemplificando as faixas de de coagulação com sais de alumínio nas quais podem ocorrer estes mecanismos, EDWARDS & AMIRTHARAJAH (1985) discorrem que para o de coagulação variando de 6 a 8 a remoção das substâncias húmicas se sucede por adsorção do ácido húmico no precipitado Al(OH) 3 e, quando o de coagulação enquadra-se na faixa de 4 a 5,5, a remoção do ácido húmico ocorre no mecanismo de adsorção-neutralização de cargas, por meio da ação de específicas espécies hidrolisadas do alumínio. As referenciadas substâncias húmicas e fúlvicas, por apresentarem-se sempre em estado coloidal e em sua grande maioria com carga superficial negativa, fazem surgir forças resultantes repulsivas, determinando o equilíbrio elétrico do sistema. Por não ser possível agregar as partículas primárias em função do mesmo sinal de suas cargas, o tratamento químico, especificamente a coagulação, para a remoção das partículas primárias não pode ser dispensado. MONTGOMERY (1985) ressalta que a remoção destas partículas pode também auxiliar na remoção de outros contaminantes, especialmente tóxicos, como os metais pesados, pesticidas e vírus, sabidamente associados à matéria particulada orgânica e inorgânica. Outra considerável importância atribuída à coagulação química decorre da sua associação aos processos de floculação, sedimentação, filtração e desinfecção nas estações convencionais de tratamento para, além de clarificar a água, remover cistos e oocistos de protozoários (LETTERMAN et al, 1999), sobre os quais a ação dos desinfetantes mais comumente utilizados não se apresenta de forma muito eficiente. Assim, a coagulação química com sais metálicos, processo de curtíssima duração e, em contrapartida, de elevadíssima importância para o sucesso e eficiência do tratamento da água, assume como principal objetivo prover os mecanismos necessários à desestabilização das partículas coloidais a fim de que possam aproximar-se umas das outras e agregarem-se formando os flocos, com dimensões e densidades tais, proporcionando-lhes condições para sua separação física da água, por sedimentação/flotação e/ou filtração, rápida ou direta. OBJETIVOS O presente trabalho teve como principal objetivo estudar a remoção da cor por coagulação química em águas de abastecimento público, tratadas em estações convencionais, pela avaliação de uma metodologia de seleção do melhor par coagulante/dosagem associado ao de coagulação. Para tanto, as etapas específicas foram: avaliação de metodologias e procedimentos para definição dos parâmetros hidráulicos de interesse das estações de tratamento de água; definição de critérios para execução dos testes de jarros em função dos parâmetros hidráulicos avaliados nas estações de tratamento de água em estudo; 118 Vol. 7 - Nº 3 - jul/set 2002 e Nº 4 - out/dez 2002,

3 Remoção da cor por coagulação química avaliação de metodologia para definição das melhores dosagens de coagulantes, que possa se constituir em instrumento de auxílio à operação das estações na decisão sobre o tipo de coagulante mais indicado e, conseqüentemente, sua dosagem ótima, em função das características apresentadas pela água bruta; comparação dos resultados obtidos nos ensaios de bancada com os em escala real. METODOLOGIA A pesquisa objetivou avaliar uma metodologia de transposição de resultados de ensaios de laboratório para escala real, atuando notadamente na escolha do melhor agente coagulante, neste trabalho representado pela sua menor dosagem e melhor eficiência na remoção da cor. A partir desta premissa básica o estudo foi dividido em três fases gerais e distintas, a saber: (i) determinação dos parâmetros hidráulicos para as unidades de interesse das estações de tratamento selecionadas, (ii) obtenção das dosagens ótimas dos agentes coagulantes testados, por meio de ensaios em reatores estáticos, a partir dos parâmetros hidráulicos reais medidos e (iii) aplicação em escala real das dosagens obtidas, para verificação da validade da metodologia proposta. Assim, foi considerado como fator determinante para que a estação participasse do trabalho proposto, a possibilidade da determinação dos tempos reais de detenção hidráulica e gradientes de velocidade da mistura rápida e da floculação, de forma que os ensaios de bancada pudessem melhor representar as condições de operação em escala real. Ensaios de bancada e análises de laboratório Os ensaios em reatores estáticos foram efetuados com aparelho para teste de jarros, equipado com tacômetro digital permitindo a variação e controle da rotação dos agitadores, e apto a conferir gradientes de velocidade na faixa de 10 a s -1. O mesmo era dotado de seis jarros com capacidade individual de 2 (dois) litros cada, de dispositivo para aplicação simultânea de produtos químicos, bem como para coleta simultânea de amostras de água a 7cm de profundidade a partir da superfície líquida, permitindo ensaios com diferentes velocidades de sedimentação. As análises para determinação da concentração do íon flúor na água - necessárias aos ensaios com traçadores -, da turbidez, do e da cor foram realizadas de acordo com metodologia padronizada (APHA et al., 1998). Descrição das estações de tratamento de água enfocadas na pesquisa As duas estações utilizam tecnologia convencional de tratamento, com mistura rápida hidráulica, floculação mecanizada com agitadores de eixo vertical, decantação de escoamento horizontal e filtração rápida em meio filtrante de areia. A ETA I, em função do aumento da demanda, vem sofrendo incrementos na sua capacidade produtiva. Assim, a vazão de início de operação de 180 L/s elevou-se para 300 e posteriormente 560 L/s, esta última coincidindo com o início da pesquisa, com algumas ampliações em sua estrutura inicial, passando a operar, ao longo da sua realização, com os atuais 620 L/s. Atualmente, para atender aos incrementos na sua vazão nominal, a estação dispõe de um aerador de cascata na chegada da adutora de água bruta, já existente em sua estrutura original, um medidor de vazão Parshall, um canal de água coagulada com septo interno em sua extremidade de jusante para divisão da vazão afluente às duas unidades de floculação e decantação. Cada floculador conta com três câmaras dotadas de agitador mecânico de eixo vertical, e doze filtros rápidos descendentes de areia, comuns aos conjuntos citados. Para a ETA II previa-se, para fim de plano, a construção de quatro módulos de tratamento, cada um deles composto por um floculador mecanizado de seis câmaras, três decantadores de escoamento horizontal e três filtros rápidos de camada simples, o que possibilitaria a operação com vazão nominal de 1,2 m 3 /s. A carência de recursos financeiros, aliada a critérios de dimensionamento conservadores e às características favoráveis da água bruta - o manancial abastecedor é um grande reservatório de acumulação -, postergou continuamente a ampliação prevista no projeto original, estando ainda hoje em operação os dois módulos construídos em início de plano. A ETA II apresenta algumas peculiaridades materializadas na permanente inativação dos agitadores das unidades de mistura rápida e de floculação. Determinação dos parâmetros hidráulicos reais das estações Para obtenção destes parâmetros hidráulicos, notadamente o tempo real de detenção hidráulica e a vazão afluente às distintas unidades de floculação, utilizou-se a técnica do traçador, a qual, em síntese, constitui-se em alimentar a unidade com massa conhecida de um produto químico selecionado, medindose sua concentração na saída da unidade em intervalos regulares de tempo. O tempo médio de detenção hidráulica corresponderá ao tempo de coleta para o qual houve um pico na concentração do traçador. A vazão na unidade pode ser estimada a partir da equação (3): Q = M (å c. Dt) (3) em que: Q é a vazão, em L/s, M é a massa de traçador lançada, em mg, c é a concentração média do traçador entre coletas sucessivas, em mg/l, Dt é o intervalo de tempo estabelecido entre as coletas sucessivas, em segundos. DI BERNARDO (1993) classifica em dois tipos distintos as formas de aplicação do traçador na entrada da unidade de floculação. O primeiro é definido pela aplicação instantânea de uma quantidade pré-determinada do produto químico selecionado, denominado como do tipo pulso. O segundo tipo é caracterizado pela aplicação contínua de uma dosagem definida da solução do traçador. Ressaltese que o produto químico utilizado deve ser de fácil determinação na água, não tóxico, não adsorvível e conservativo. Em função do exposto, das rotinas de análise já estabelecidas no laboratório das estações e por já ser utilizado na operação de fluoretação, empregou-se como traçador o ácido fluorsilícico, com aplicação do tipo pulso. As amostras foram coletadas na saída das unidades de floculação em intervalos regulares de 2min até que a água floculada apresentasse concentração nula do produto, sendo o início de coleta concomitante com o momento da dosagem do produto selecionado. Ressalte-se ainda que, para evitar distorções, foi determinada, para cada campanha, a concentração do íon flúor na água bruta afluente à estação e na saída dos floculadores, antes da dispersão do produto. 119 Vol. 7 - Nº 3 - jul/set 2002 e Nº 4 - out/dez 2002,

4 Leal, F.C.T. & Libânio, M. A ETA I foi alvo de quatro campanhas de estudo, efetuadas a partir da metodologia proposta, para posterior determinação dos gradientes de velocidade e dos tempos de detenção hidráulica para a unidade de mistura rápida e para as unidades de floculação (G MR /T MR e G F / T F, respectivamente), bem como das velocidades de sedimentação (V S ) para as unidades de decantação. Estes parâmetros embasaram, conforme já referenciado, os testes efetuados posteriormente em laboratório, objetivando a definição das dosagens ótimas de produtos químicos. Para a ETA II os tempos reais médios de detenção hidráulica nas duas unidades de floculação, as vazões afluentes, bem como as taxas de aplicação superficiais para as unidades de decantação, foram avaliadas em campanha única, também pela metodologia proposta. Ressalte-se, como de interesse para este trabalho, que esta campanha foi realizada, não intencionalmente, em um dia de operação atípica do sistema de abastecimento da cidade, estando a estação trabalhando com uma vazão nominal superior à sua vazão usual máxima de operação. Também esta vazão, obtida com o emprego da técnica do traçador, foi alvo de confirmação, por pitometria, pela equipe de medição da concessionária. Definição das dosagens otimas Definidos os parâmetros hidráulicos balizadores do trabalho, passou-se à obtenção das dosagens ótimas para as águas brutas afluentes às duas estações de tratamento selecionadas. Para realização desta etapa foram selecionados três produtos químicos comerciais, normalmente empregados pela concessionária, de fabricação das Indústrias Químicas Cataguases Ltda., constantes da Tabela 1. Vale ressaltar que o Polifloc L é produzido a partir da combinação entre o sulfato de alumínio e o sulfato ferroso clorado e, neste caso específico, na proporção respectiva de 7:3. As águas foram armazenadas na própria estação para realização dos ensaios, em caixa de fibra de vidro com tampa e capacidade para 500 litros, por no máximo três dias, tempo suficiente para cada bateria de ensaios necessária à determinação das dosagens ótimas. Estas dosagens foram obtidas variando-se as dosagens de coagulante, bem como o de coagulação, por meio da aplicação de distintos volumes de leite de cal. Os ensaios realizados permitiram a elaboração dos diagramas de coagulação, nos quais determinou-se, para cada coagulante testado, a menor dosagem capaz de produzir a maior eficiência na remoção dos parâmetros de controle, quais sejam, a cor aparente e a cor verdadeira das águas naturais. Os testes para esta definição foram calcados na metodologia proposta e baseados nas características apresentadas pelas águas testadas, apresentadas na Tabela 2. bem como nos parâmetros hidráulicos constantes das tabelas 3 e 4. A partir das vazões afluentes às estações objeto da pesquisa, determinaramse os parâmetros hidráulicos, norteadores Tabela 1 - Relação e características dos coagulantes utilizados na pesquisa Nome Comercial F 666 L FLOCULAN POLIFLOC L Produto e Forma de Apresentação Sulfato de Alumínio(Líquido) Sulfato Ferroso Clorado (Líquido) Formulação específica (Líquido) Formulação Química e Composição Al 2 (SO 4 ) 3.16H 2 O Teor mínimo em Al 2 O 3 : 7,5% Teor mínimo em Fe 2 O 3 : 1,2% FeCl 3.Fe 2 (SO 4 ) 3 Teor mínimo de Fe 2 O 3 (como Fe): 18,0% FeCl 3.Fe 2 (SO 4 ) 3.n Al 2 (SO 4 ) 3 Teor mínimo em R 2 O 3 (Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 ): 9,0% Tabela 2 - Características das águas testadas nas estações de tratamento I e II. ETA Te mperatura ( 0 C) Turbidez (ut) Cor Aparente Cor Verdadeira I 7,1 a 7,4 19,7 a a 17,8 85 a a 80 II 6,8 a 7,2 18 a 25 3,49 a 3,94 40 a a 55 Tabela 3 - Parâmetros hidráulicos utilizados nos ensaios para ETA I Vazão Mistura Rápida Floculação Sedimentação (L/s) GMR (s -1 ) TMR (s) GF (s -1 ) TF (min) TAS (m 3 /m 2 /d)* VS (cm/min)* , ,25 60,30 4, , , ,25 66,80 4, , *Valores médios, em função da não equidade das vazões. dos ensaios em reatores estáticos, arrolados nas tabelas 3 e 4. Para a ETA I optou-se por um gradiente de velocidade menor do que o determinado para a mistura rápida, da ordem de 1500 s -1, em função da aplicação do coagulante na estação não estar sendo realizada na garganta do medidor Parshall, e sim a montante do mesmo, a jusante de uma operação de gradeamento, a qual também proporciona grande turbulência no canal de acesso ao medidor. Testes também foram realizados com um polímero aniônico, MAFLOC 1115A, utilizado na estação como auxiliar de coagulação, quando esta ampliou a sua vazão para 620 L/s, sendo mantidos os parâmetros hidráulicos para os testes de bancada, apresentados pela Tabela

5 Remoção da cor por coagulação química Tabela 4 - Parâmetros hidráulicos utilizados nos ensaios para ETA II Vazão (L/s) Mistura Rápida Floculação Sedimentação GMR (s -1 ) TMR (s) 700** GF (s -1 ) Variável TF (min) TAS (m 3 /m 2 /d)* VS (cm/min)* 20*** 31 2, ,00 *Valores médios, em função da não equidade das vazões; ** Esta vazão somente foi utilizada no ensaio de floculação, portanto com GF variável; *** Estimado para a partir da vazão de 986 L/s. RESULTADOS E DISCUSSÃO Papel de filtro Seis amostras das águas em estudo e uma amostra proveniente de manancial distinto, com turbidez variando de 2,1 a 44 ut e cor aparente de 50 a 120 uc, foram testadas e comprovaram, para a faixa de variação de turbidez e cor das águas ensaiadas, a eficiência do filtro de papel para café marca Jovita n o 102, utilizado no presente estudo, quando em comparação com o filtro de papel Wathman 40, conforme demonstram os resultados contidos na Tabela 6. Para a ETA II, em função da estação apresentar baixos valores para os gradientes de velocidade - tanto para a mistura rápida quanto para a floculação -, foram admitidos valores para estes parâmetros que possibilitassem mínimas condições de operacionalização dos ensaios. Assim, definiram-se a mistura rápida com gradiente de velocidade de 120 s -1, visando garantir condições mínimas de mistura dos produtos químicos, e o gradiente de floculação de 10 s -1. Este último parâmetro constitui-se no mínimo possível de ser fornecido pelo equipamento, associado à baixa turbidez apresentada pelas águas testadas minimizando a precoce deposição dos flocos no interior dos frascos -, à tentativa de se aproximar ao máximo as condições de bancada das reais de operação das estações. Avaliação em escala real Esta etapa somente foi possível para a ETA I, por características favoráveis de sua operação, porém somente com o coagulante de seu uso normal, em virtude de estar em manutenção um dos dois tanques de preparo e dosagem de coagulante primário. Desta forma, às 9h do dia 21/07/ 00 iniciou-se a primeira aplicação em escala real da melhor dosagem obtida em laboratório, com término da aplicação às 9h do dia seguinte, para vazão afluente de 560 L/s. Ressalte-se que, em função da constância das características da água bruta, foram feitas somente duas avaliações das mesmas, ao início e fim do ensaio em escala real, as quais apresentaram similaridade entre as suas magnitudes. Esta estação foi ainda avaliada em um segundo ensaio quando já operava com a vazão nominal de 620 L/s, com aplicação, além da melhor dosagem do coagulante primário, também da melhor dosagem para o polímero aniônico utilizado como auxiliar de coagulação, iniciando-se o teste às 9h do dia 12/09/00 com término às 18h do mesmo dia. As características então apresentadas para a água bruta nos dias dos testes são apresentadas na Tabela 5. Ensaio Tabela 5 - Características da água bruta durante o segundo ensaio em escala real. Turbidez (ut) Cor Aparente Cor Verdadeira Primeiro 7,0 3, Segundo 6, Tabela 6 - Comparação entre valores obtidos para cor verdadeira pela filtração da amostra em papel Wathman 40 e em filtro de papel para café. Procedência da Amostra Turbidez( ut) Parâmetros hidráulicos da ETA I Para a unidade de mistura rápida a determinação do T MR e do G MR foi precedida pela avaliação das vazões afluentes à estação pela técnica do traçador, confirmadas pela equipe de medição da concessionária. Conhecidas as dimensões físicas da unidade, aplicou-se software específico (LIBÂNIO et al, 2000), para um Parshall de 3 de garganta afluindo as vazões de 560 e 620 L/s. Os resultados são Cor Aparente Cor Verdadeira Filtro de Café Wathman 40 Manancial distinto 4, Manancial ETA II 2, Manancial ETA II 2, Manancial ETA I Manancial ETA I Manancial ETA I Manancial ETA I

6 Leal, F.C.T. & Libânio, M. Tabela 7 - TMR e do GMR na unidade de mistura rápida da ETA I. Vazões (L/s) TMR (s) GMR (s -1 ) 560 0, , apresentados pela Tabela 7 Os gradientes de velocidade e tempos de detenção hidráulica calculados enquadram-se no que dispõe a ABNT (1995), podendo-se admitir que a dispersão do coagulante, se aplicado na garganta do medidor, efetivar-se-á de forma satisfatória, podendo caracterizar o processo de desestabilização, segundo VIANNA (1997), como a associação entre adsorção-neutralização de cargas e varredura, gerando economia no consumo de produtos químicos. Os resultados obtidos corroboram também os resultados dos trabalhos referenciados por LIBÂNIO (1995), COELHO (1987) e BASTOS et al (2000), reafirmando a alta eficiência dos medidores de vazão Parshall como misturadores rápidos, independentemente da magnitude da sua vazão de trabalho, quando estes são alvo de seleção criteriosa. Para as duas unidades de floculação desta estação, os tempos reais médios de detenção hidráulica foram obtidos por meio dos ensaios com traçadores apresentados nas figuras 1 e 2, relativas às vazões de 620 e 560 L/s, respectivamente. A Tabela 8 resume os valores encontrados sendo que, em função da esperada proximidade entre os mesmos, admitiu-se para os ensaios conduzidos posteriormente nos reatores estáticos o tempo de detenção hidráulica de 10 minutos, determinado pela identificação do pico da concentração do íon fluoreto. A determinação do tempo real médio de detenção hidráulica empregada nesta pesquisa, a partir da simples identificação do ponto de concentração máxima do traçador, é fundamentada em um modelo matemático proposto por STEIN (1940 apud CAMP, 1953) e corroborada pelo CEPIS (1992). Para o número de câmaras em série usualmente adotado nas unidades de floculação mecanizadas inferior a seis -, esta metodologia apresenta valores de menor monta quando cotejada à proposta por DANIEL et al. (2001). Considerando que cada unidade de floculação apresenta volume total da ordem de 262 m 3, os tempos teóricos de detenção hidráulica nesta unidade são estimados da ordem de 15,6 min para a vazão de 560 L/s e 14,1 min para a vazão de 620 L/s. BRATBY (1981), apud LIBÂNIO (1995), afirma que para unidades mecanizadas a relação entre os tempos de detenção teórico e real, em função de curtos-circuitos que normalmente ocorrem, pode ser estabelecida a partir da equação (4): T = t. n/(n-1) (4) na qual T é o tempo de detenção teórico, t é o tempo de detenção real e n é o número de câmaras em série existentes na unidade. 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, TEMPO (min) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, TEMPO (min) UNIDADE ESQUERDA UNIDADE DIREITA UNIDADE ESQUERDA UNIDADE DIREITA Figura 1 - Ensaio com traçador para vazão de 620 L/s. Figura 2 - Ensaio com traçador para vazão de 560 L/s Tabela 8 - Tempos reais médios de detenção hidráulica para os floculadores da ETA I Campanha Tempos reais médios de detenção hidráulica (min) Unidade Esquerda Unidade Direita I II 8 12 III IV Empregando a expressão anterior para uma unidade de três câmaras, obtém-se tempo de detenção teórico 50% superior ao real, mesma ordem de grandeza das medições realizadas neste estudo, ou seja, tempo de detenção médio teórico da ordem de 15 min para tempo real avaliado em 10 min, este significativamente inferior ao preconizado pela ABNT (1995). Determinaram-se, a partir das dimensões das unidades de floculação e decantação, os gradientes de velocidade médios em cada uma das câmaras de floculação - por meio também da medição in loco das velocidades de rotação das 122

7 Remoção da cor por coagulação química Tabela 9 -T F, G F e TAS nas unidades de floculação e decantação da ETA 1. Vazão (L/s) Unidade GF (s -1 ) TF na unidade (min) TAS (m 3 /m 2 /d) / Vs (cm/min) Esquerda ,31 / 4, Direita ,80 / 4, paletas dos agitadores - e as taxas de aplicação superficial para as duas vazões afluentes. A Tabela 9 apresenta estes valores. Aliado à diferença desprezível entre os valores para as distintas vazões, os gradientes de velocidade obtidos pelas medições encontram-se dentro do que preconiza a ABNT (1995), com exceção do encontrado para a terceira câmara do floculador direito. Há que se ressaltar que os valores das taxas de aplicação superficial, e correspondentes velocidades de sedimentação, admitidos para os ensaios em reatores estáticos, foram obtidos considerando uma distribuição equânime de vazão pelas unidades de decantação, o que de fato não ocorre. Esta consideração foi possível em função de que a estação não apresentava desvio de vazão entre as suas unidades de decantação que suplantasse os 20% limitados pela normatização brasileira. Parâmetros hidráulicos da ETA II Para esta estação a mistura rápida inexiste, já que os agitadores mecânicos da unidade destinada a este fim encontram-se desativados. Em função da forma de aplicação do coagulante, e principalmente pelo elevado tempo de detenção hidráulica, pode-se afirmar que a desestabilização do meio é efetivada exclusivamente pela formação do gel hidróxido metálico, o que fatalmente conduz a consumos mais elevados de produtos químicos. Considerando-se as dimensões da unidade, bem como as vazões 986 e 700 L/s, ensaiadas para a estação, os parâmetros obtidos estão apresentados na Tabela 10, ressaltando-se que não foi encontrado modelo matemático que permitisse avaliar o gradiente de velocidade gerado para a unidade de mistura rápida. Para as unidades de floculação desta estação, os seus tempos reais médios de detenção hidráulica foram avaliados em campanha Vazões (L/s) Tabela 10 - T MR, G MR, G f, T f e TAS referentes à ETA II. TMR (s) GMR (s -1 ) Gf (s -1 ) Tf(min) única, com resultado apresentado pela Figura 3. O floculador do módulo esquerdo apresentou tempo médio de detenção hidráulica da ordem de 16 minutos enquanto que para a unidade do módulo direito este tempo foi de 14 minutos. A proximidade dos valores justificou a adoção de um valor único para o tempo médio de detenção hidráulica, da ordem de 15 minutos, o qual foi empregado, quando pertinente, na realização dos posteriores ensaios de bancada. Igualmente foram obtidos para cada uma das duas unidades de floculação os valores dos seus gradientes de velocidade médios. Para tanto foram observadas as dimensões físicas de cada uma de suas seis câmaras de floculação e, estando os agitadores desligados, aproximando o seu funcionamento ao funcionamento de uma unidade hidráulica, aplicaram-se as equações pertinentes a este tipo de funcionamento, obtendo-se os valores da Tabela 10. Os tempos reais de detenção hidráulica e os gradientes de velocidade encontrados, estes últimos praticamente desprezíveis para as unidades alvo das avaliações, encontram-se em completo desacordo com o que prevê ABNT (1995). Isto se deve ao fato de que, estando desligados os agitadores mecânicos, estas unidades, projetadas como mecanizadas, passam a um tipo de operação amplamente desfavorável, principalmente com relação à qualidade de seu efluente. Este fato al- TAS (m 3 /m 2 /d)/vs (cm/min) ND ND ND 31,25 / 2, ND 3 16/14 44 / 3,06 1,6 1,4 CONCENTRAÇÃO TRAÇADOR (mg/l) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, TEMPO (s) UNIDADE ESQUERDA UNIDADE DIREITA Figura 3 ETA 2 Q=986 L/s Ensaio com traçador para determinação do tempo real de floculação 123

8 Leal, F.C.T. & Libânio, M. tera ainda o mecanismo de transporte predominante, concorrendo para que a floculação seja predominantemente incidental, semelhante à que se sucede em grandes canais de água coagulada (ASCE & AWWA, 1998). Neste mesmo contexto a ABNT (1995) recomenda tempo inferior a 1 min, podendo estender-se até 3 min, desde que o canal disponha de sistema ou dispositivo que confira um gradiente de velocidade superior ao verificado na primeira câmara de floculação. Igualmente para esta estação os valores admitidos para as taxas de aplicação superficial, e correspondentes velocidades de sedimentação, para os posteriores ensaios em reatores estáticos, foram obtidos considerando uma distribuição equânime de vazão pelas unidades de decantação, o que, também neste caso, não ocorre em escala real. Esta consideração somente foi possível porque, novamente, o desvio de vazão entre as suas unidades de decantação não suplantou os 20% limitados pela normatização brasileira. Parâmetros hidráulicos empregados nos ensaios em reatores estáticos A partir dos dados contidos nas tabelas 7, 9 e 10 e da exeqüibilidade dos ensaios, contemplando considerar particularidades operacionais dos equipamentos utilizados, definiram-se os parâmetros hidráulicos norteadores dos testes de laboratório. Os mesmos são apresentados nas tabelas 11 e 12. Deve-se ressaltar que o tempo de mistura rápida de 5 s é o mínimo necessário para que se possa aplicar o coagulante, lavar os frascos com água destilada e, em seguida, alterar a rotação do aparelho para início da mistura lenta ou floculação. Para a ETA I o gradiente de velocidade da mistura rápida, de 900 s -1, foi admitido menor do que o encontrado nas avaliações em função da aplicação em escala real não estar sendo efetuada na garganta do medidor Parshall, e sim a montante Vazões (L/s) Tabela 11 -Parâmetros hidráulicos para os ensaios em reatores estáticos referentes à ETA I. TMR (s) GMR (s -1 ) Na Unidade Por Câmara TAS VS Tf(min) Tf(min) Gf (s -1 ) (m 3 /m 2 /d) (cm/min) , , ,31 4, , , , ,80 4, , deste, em local de também grande dissipação de energia, a jusante de uma operação de gradeamento. Já para a ETA II a mistura rápida foi efetuada com gradiente de velocidade de 120 s -1 para garantir condições mínimas de dispersão do coagulante na massa líquida, e o gradiente de velocidade de 10 s -1 empregado na floculação foi o menor possível de se trabalhar com o equipamento utilizado. Ressalte-se ainda para esta estação que o tempo de detenção hidráulica de 21 min para a vazão de 700 L/s foi obtido por proporcionalidade com a vazão de 986 L/s. Definição das dosagens ótimas e do de coagulação para as estações I e II Os melhores resultados obtidos para cada coagulante primário, por meio de diagramas de coagulação, estão apresentados nas tabelas 13 e 14, com os ensaios realizados, conforme mencionado, de acordo com os parâmetros hidráulicos definidos nas Tabelas 11 e 12. Ressaltese que para a seleção do melhor resultado de cada coagulante considerou-se, concomitantemente, a menor dosagem capaz de produzir as maiores remoções percentuais e também o menor residual dos parâmetros de controle previamente estabelecidos. A análise dos resultados obtidos permite inferir que para a água bruta afluente a ETA I os melhores resultados para a remoção da cor natural foram obtidos com coagulantes à base de ferro. A faixa de variação do de coagulação, em torno do valor 7,0, bem como a magnitude das dosagens de qualquer dos coagulantes testados, sugerem que, de acordo com DI BERNARDO (1993), PÁDUA (1994) e LETTERMAN et al (1999), a coagulação nesta estação ocorra no mecanismo da varredura. Deve-se ressaltar, entretanto, o que afirma VIANNA (1997), de que quando o coagulante é administrado em locais com grande dissipação de energia na massa líquida, o mecanismo da adsorção-neutralização de cargas, ainda que não predominante, também se faz presente, quando compostos preliminares da hidrólise desestabilizam parcialmente e aproximam as partículas coloidais, provocando menor consumo do Tabela 12 -Parâmetros hidráulicos para os ensaios em reatores estáticos referentes à ETA II. Vazões (L/s) Mistura Rápida Floculação Sedimentação TMR (s) GMR (s -1 ) Tf (min) Gf(s -1 ) TAS (m 3 /m 2 /d) VS (cm/min) ,25 2, ,00 124

9 Remoção da cor por coagulação química Água Bruta Turb. (ut) C.A. Tabela 13 - Dosagens ótimas para água bruta afluente à ETA I C.V. Coagulante Dosagem (mg/l) Coagul. Água Bruta C.A C.V. Residual % Rem. Residual % Rem. 7,4 7, , Sulfato Ferroso Clorado ,2 6, , ,1 15, Sulfato de Aluminio 40 6, ,4 17, Polifloc L 35 7, Turb. - turbidez C.A. - cor aparente C.V. - cor verdadeira % Rem. - percentual de remoção Tabela 14 - Dosagens ótimas para água bruta afluente à ETA II Água Bruta C.A. C.V. Turb. (ut) C.A C.V. Coagulante Coagulante (mg/l) coagul Residual % Rem. Residual % Rem. 7,2 6,8 3,9 43, Sulfato de Alumínio Líquido ,8 6, , ,1 3, Sulfato Ferroso Clorado 27 5, ,5 95 7,1 3, Polifloc L 40 6, ,5 95 hidróxido metálico e, conseqüentemente, do coagulante utilizado. Para a ETA II a análise dos resultados obtidos para os três coagulantes utilizados, demonstra uma ligeira vantagem para o sulfato de alumínio líquido. Exceção é feita para o primeiro resultado obtido com este coagulante, o qual, apesar de também gerar residuais de cor aparente e verdadeira próximos aos demais, apresentou baixo percentual de remoção para a cor aparente, talvez em função da menor magnitude do valor deste parâmetro na água bruta, indicando que, também por sofrer influência de partículas em suspensão, a eficiência de remoção da cor aparente possa estar intimamente associada à magnitude do parâmetro na água bruta, como ocorre com a remoção da turbidez (PÁDUA & DI BERNARDO, 2000). As dosagens de coagulantes utilizadas e a faixa na qual se enquadrou o de coagulação, de 5,6 a 6,5, independentemente do coagulante utilizado, poderiam indicar, de acordo com os diagramas e mecanismos de coagulação apresentados por LETTERMAN et al (1999), a predominância do mecanismo de desestabilização por adsorçãoneutralização de cargas. Porém, a magnitude das dosagens utilizadas, a inexistência da mistura rápida e o principal mecanismo de transporte na floculação, indicam que a desestabilização ocorre no mecanismo da varredura, o que está de acordo com DI BERNARDO (1993). Ressaltese ainda que o de coagulação enquadrou-se na faixa ótima para remoção de substâncias húmicas segundo HALL & PACKHAM (1965) apud PÁDUA (1994). Avaliação em escala real para a ETA I Os resultados da avaliação em escala real utilizando somente coagulante primário são apresentados nas Figuras 4, e 5. A avaliação da utilização simultânea do coagulante primário e do auxiliar de coagulação está apresentada na Figura 6. As tabelas 15 e 16 apresentam, respectivamente, as características das águas brutas nos períodos de avaliação e as dosagens aplicadas em escala real A partir desta, determinaram-se os residuais dos parâmetros de controle em amostras de água decantada, como também em amostras compostas por igual volume provenientes de cada uma das duas unidades existentes. Os resultados obtidos com a avaliação em escala real a partir das dosagens definidas em escala de laboratório comprovam a eficácia da metodologia avaliada na pesquisa. Isto se deve ao fato de que, a partir da observação das figuras apresentadas, fica claro que as dosagens definidas em laboratório, principalmente com utilização do polímero aniônico, produziram água decantada de melhor qualidade em relação à obtida com a operação usual da estação, estes apresentados pela Tabela

10 Leal, F.C.T. & Libânio, M. Data Tabela 15 - Características da água bruta nos dias das avaliações em escala real Turbidez (ut) Cor Aparente Cor Verdadeira 21/07/00 7,0 3, /09/00 6, Tabela 16 - Dosagens de coagulantes utilizadas antes e durante Vazão Afluente (L/s) Sulfato Ferroso Clorado (mg/l) ANTES DO TESTE NO TESTE Polímero Aniônico (mg/l) de Coagulação , ,23 6,4 Considerando-se os resultados apresentados na Tabela 13, balizadores da melhor dosagem a ser aplicada em escala real - com remoções percentuais para cor aparente e verdadeira de 71% e 95% -, e ainda a Figura 5, referente aos percentuais de remoção dos parâmetros de controle em amostras compostas, da qual são extraídos valores médios de remoção para os citados parâmetros, respectivamente, da ordem de 60% e 85%, é possível concluir que a diferença entre os percentuais de remoção obtidos entre a escala de laboratório e a escala real é decorrente, além da magnitude destes parâmetros, apresentada pela água bruta, de diversos outros fatores, os quais influenciam a operação em escala real, sendo impossível a sua reprodução em escala de bancada. Vale mencionar que com o objetivo de remoção da turbidez ensaios comparando os resultados auferidos em reatores estáticos foram suplantados pelos obtidos em escala real (PÁDUA et al., 1998) COR /TURBIDEZ (ut) TEMPOS DE COLETA A PARTIR DO INÍCIO DO TESTE (HORAS) Cor Aparente Remanescente Cor Verdadeira Remanescente Turbidez Remanescente Figura 4 ETA 1 Sulfato ferroso clorado Q= 560 L/s Valores remanescentes dos parâmetros de controle - Amostras compostas PERCENTUAISDEREMOÇÃO TEMPOS DE COLETA A PARTIR DO INÍCIO DO TESTE (HORAS) Cor Aparente Cor Verdadeira Turbidez Figura 5 ETA 1 Sulfato ferroso clorado Q= 560 L/s Remoção percentual dos parâmetros de controle Amostras compostas 126

11 Remoção da cor por coagulação química Tabela 17 - ETA I - Variação da magnitude dos parâmetros apresentados pela água bruta e pelo efluente dos decantadores, nas 48 horas antecedentes às avaliações em escala real Variação Antecedente a Água Bruta Decantador 1 Decantador 2 C.A. Turb.. C.A. C.V. Turb. C.A. C.V. Turb. 21/07/00 6,4-6, ,2-5, ,8-3, ,5-10 1,5-2,0 12/09/00 6,9-7, ,1-4, Ñ 1,8-3, TURBIDEZ (ut)/cor TEMPOS DE COLETA A PARTIR DO INÍCIO DO TESTE (HORAS) Turbidez Remanescente (Ut) Cor Aparente Remanescente Cor Verdadeira Remanescente Figura 6 ETA 1 Sulfato ferroso clorado e polímero aniônico Q = 620 L/s Valores remanescentes dos parâmetros de controle Amostras compostas Desta forma, ainda que baseado em apenas uma única comparação, pode-se supor que o tempo de detenção nas unidades de decantação de escoamento horizontal, da ordem de uma a três horas, interfere em menor escala na remoção da cor quando comparada à turbidez. A análise das Figuras 4 e 5, relativas à aplicação em escala real da melhor dosagem definida para o coagulante primário, permite ainda observar que, excetuando-se poucos problemas pontuais, as unidades de decantação produziram efluentes com qualidade sempre superior à qualidade apresentada antes do início do teste, com limitações máximas de 25 uc para cor aparente, 10 uc - em grande parte do tempo 7,5 uc - para cor verdadeira, e entre 2,0 e 2,5 ut para a turbidez. Estes valores correspondem a ganhos percentuais médios na remoção destes parâmetros, respectivamente da ordem de 15%, 5% e 10%. Já a análise dos resultados obtidos pela aplicação em escala real das dosagens definidas na Tabela 16 para sulfato ferroso clorado e polímero aniônico, representados pela Figura 6, permite concluir pela maior eficiência apresentada pelas unidades de decantação na remoção dos parâmetros ensaiados, ainda que estivesse majorada a vazão nominal da estação. Ressalte-se que nesta situação de teste, além do aumento da vazão afluente à estação, também os parâmetros da água bruta apresentaram maior magnitude em relação ao teste efetuado sem a aplicação do polímero aniônico, conforme Tabela 15. Ainda assim as unidades de decantação apresentaram efluentes, durante o período de teste, com limitação máxima, em média, de 20 a 25 uc para cor aparente, 5 uc para cor verdadeira e próxima a 3,0 ut para a turbidez. Como foram mantidas as demais condições de operação da estação, conclui-se que a elevada eficiência apresentada pelas unidades floculação/decantação é função da inserção do mecanismo de desestabilização pela formação de pontes químicas, decorrentes da dosagem do polímero aniônico, no modelo de desestabilização pré-existente. Por fim há que se salientar que a indisponibilidade de uma série histórica mais longa para os parâmetros de controle selecionados, pesquisados na água bruta e antecedente aos testes, impossibilita a apresentação de resultados comparativos mais detalhados sobre a evolução dos mesmos a partir da avaliação em escala real. Porém, foi possível observar, pelos registros disponíveis, que as magnitudes dos parâmetros selecionados mantiveramse, nas 24 horas antecedentes aos testes realizados na estação, sempre na mesma ordem de grandeza dos valores encontrados no início dos mesmos. CONCLUSÕES A principal conclusão do presente trabalho refere-se à aplicabilidade da metodologia avaliada no controle da operação das estações de tratamento de água. Isto se deve, principalmente, pela metodologia avaliada incorporar a determinação dos parâmetros hidráulicos reais de algumas unidades das estações, notadamente o tempo de detenção hidráulica e gradientes de velocidade médios em suas unidades de floculação, pela grande importância para a eficiência da tecnologia de tratamento das unidades potabilizadoras. A técnica do traçador empregada na avaliação dos tempos reais de detenção 127

12 Leal, F.C.T. & Libânio, M. hidráulica nos floculadores, bem como na determinação das vazões afluentes às unidades, mostrou-se eficiente, haja vista a confirmação da magnitude das vazões obtidas nos testes por meio de medições por pitometria, efetuadas por equipe especializada da concessionária. As medições realizadas por esta técnica e os resultados das análises com a água decantada comprovaram que as unidades de floculação/ decantação das estações estudadas trabalham com vazões não equânimes, sem que isto venha a comprometer a eficiência dos conjuntos. Ainda na vertente metodológica da pesquisa, há de ressaltar que o filtro de papel utilizado mostrou-se eficiente aos objetivos do presente trabalho, permitindo a adequada determinação da cor verdadeira das amostras, quando isto se fez necessário. Em geral os testes para definição das dosagens e de coagulação demonstraram que os sais a base de ferro produziram sempre bons resultados na remoção da cor natural das águas ensaiadas. Para a ETA I, em função das elevadas taxas de aplicação superficial a que estão submetidos os decantadores, o sulfato ferroso clorado, por gerar flocos mais densos, apresentou-se com eficiência destacada sobre os outros tipos de coagulantes testados. Para a ETA II, apesar de também apresentar bons resultados, este coagulante foi ligeiramente suplantado em termos de eficiência pelo sulfato de alumínio líquido. Pela análise dos resultados da Tabela 13 observa-se que o de coagulação para a ETA I manteve-se próximo ao apresentado pela água bruta afluente à estação, com menor variação em torno do valor 7,0. Já para a ETA II, conforme Tabela 14, o mesmo variou na faixa de 5,6 a 6,5, para dosagens de coagulantes entre 27 e 40 mg/l. Este último resultado está em acordo com afirmações de diversos pesquisadores, no sentido de que a coagulação de águas com cor verdadeira mais acentuada ocorre com maiores dosagens de coagulante em faixas mais baixas de. Ambas as unidades mecanizadas de floculação apresentaram significativo efeito de curto-circuito. Para a ETA I o efeito foi compatível com o que estabelece BRATBY (1981) apud LIBÂNIO (1995). Similar efeito ocorreu para as unidades de floculação da ETA II, principalmente em função das grandes dimensões das passagens entre suas câmaras, agravado pelo fato de estarem desligados os seus agitadores mecanizados, ainda que estas unidades apresentassem maior número de câmaras de floculação do que as existentes na ETA I. Por fim, as unidades de decantação da ETA I, em decorrência da triplicação da sua vazão de projeto, estão submetidas a taxas de aplicação superficial muito superiores aos limites estabelecidos pela ABNT (1995). Todavia, a coagulação exitosa parece compensar tal limitação e assegurar a qualidade do efluente, demonstrando a importância dos ensaios de laboratório na ampliação destes limites. 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