I AVALIAÇÃO DA APLICABILIDADE DO PERMANGANATO DE POTÁSSIO COMO AGENTE PRÉ-OXIDANTE NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DO ALTO DA BOA VISTA

Transcrição

1 I-47 - AVALIAÇÃO DA APLICABILIDADE DO PERMANGANATO DE POTÁSSIO COMO AGENTE PRÉ-OXIDANTE NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DO ALTO DA BOA VISTA Sidney Seckler Ferreira Filho (1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Associado do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Regime de Dedicação Exclusiva à Docência e Pesquisa. Ricardo Lazzari Mendes Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Engenheiro Consultor da ENGECORPS Engenheiros Consultores S/C Ltda. Marcio José Ishida Cipriani Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Engenheiro Especialista da Kemwater Brasil S.A. Adilson Nunes Fernandes Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Químico da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). Departamento de Produção Sul. Divisão do Sistema Guarapiranga. Endereço (1) : Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária. Av. Professor Almeida Prado, 271 Prédio de Engenharia Civil. Bairro Butantã. Cidade Universitária. CEP: e- mail: ssffilho@usp.br RESUMO Durante o processo de tratamento de água, podem ser utilizados diferentes agentes oxidantes, tendo diferentes propósitos. Dentre os mais utilizados, pode-se citar o cloro, cloraminas, dióxido de cloro, permanganato de potássio, peróxido de hidrogênio, ozônio, entre outros. As principais aplicações resultantes da utilização de agentes oxidantes no tratamento de água objetivam a oxidação de ferro e manganês e sua posterior remoção por processo de separação sólido-líquido, controle de odor e sabor, remoção de cor, desinfecção, oxidação de compostos orgânicos sintéticos específicos, redução da formação potencial de trihalometanos (FPTHM s), entre outras. Tendo por objetivo avaliar a aplicabilidade do permanganato de potássio como agente préoxidante para a Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista, este trabalho foi conduzido de modo que fosse possível a execução de ensaios de demanda para ambos os agentes oxidantes (cloro e permanganato de potássio) a fim de que possa ser possível a definição de suas dosagens ótimas de aplicação na água bruta, avaliar a qualidade da água decantada com e sem a aplicação do permanganato de potássio como agente préoxidante em termos de turbidez, contagem de algas e contagem de partículas e definir as dosagens ótimas de permanganato de potássio e demais agentes coagulantes com objetivo principal de otimização da qualidade da água decantada e minimização da concentração residual de agentes oxidantes na água bruta. Com base nos resultados experimentais, pode-se concluir que a demanda de cloro pela água bruta foi superior quando comparado com o permanganato de potássio, tendo estas, sendo que para um tempo de contato de 38 minutos, estas situram-se na faixa de 6, mg Cl 2 /L e 1, mg KMnO 4 /L. Com relação ao parâmetro turbidez e contagem de partículas da água decantada, não foi evidenciada nenhuma diferença para os ensaios executados tendo-se aplicado o cloro e o permanganato do potássio como agentes pré-oxidantes, o que significa dizer que, especificamente para a água bruta proveniente do Reservatório do Guarapiranga, não há nenhum prejuízo que possa ser esperado na qualidade da água decantada. A utilização do permanganato de potássio como agente pré-oxidante é altamente viável para o Sistema Produtor do Guarapiranga, especialmente nos períodos em que houver um aumento na demanda de cloro e para fins de controle da formação de THM s. Dado que a sua demanda é menor do que quando comparado com o cloro, ainda que o custo seja maior em base mássica, economicamente a sua aplicação ainda sim é atrativa. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de água, permanganato de potássio, oxidação química, sub-produtos da desinfecção. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 INTRODUÇÃO Durante o processo de tratamento de água, podem ser utilizados diferentes agentes oxidantes, tendo diferentes propósitos. Dentre os mais utilizados, pode-se citar o cloro, cloraminas, dióxido de cloro, permanganato de potássio, peróxido de hidrogênio, ozônio, entre outros. As principais aplicações resultantes da utilização de agentes oxidantes no tratamento de água objetivam a oxidação de ferro e manganês e sua posterior remoção por processos de separação sólido-líquido, controle de odor e sabor, remoção de cor, desinfecção, oxidação de compostos orgânicos sintéticos específicos, redução da formação potencial de trihalometanos (FPTHM s), entre outras. Historicamente, o agente oxidante mais empregado em processos de tratamento de água tem sido o cloro, na forma de cloro gasoso (Cl 2 ), hipoclorito de sódio (NaOCl) e hipoclorito de cálcio (Ca(OCl) 2 ). Com a descoberta de que o cloro, ao reagir com compostos orgânicos naturais (CON's) poderiam formar compostos orgânicos carcinogênicos, notadamente os trihalometanos e os ácidos haloacéticos, houve um significativo esforço em procurar estudar e pesquisar quais dentre outros agentes oxidantes poderiam ser utilizados no processo de tratamento de água sem causar prejuízo à qualidade da água final e sem perda de eficiência no tocante a um objetivo específico (oxidação de ferro e manganês, remoção de gosto e odor, remoção de cor, etc...). Segundo HASSLER (1941), uma das primeiras aplicações do permanganato de potássio no tratamento de águas de abastecimento foi efetuada pelo engenheiro GEORGE FULLER como coagulante no ano de 1898, tendo sido, em seguida, aplicado como agente oxidante na remoção de ferro no sistema de abastecimento de água da cidade de Providence em 19. Atualmente, o permanganato de potássio tem sido largamente utilizado no tratamento de águas de abastecimento em substituição ao cloro livre como agente pré-oxidante, tendo por objetivos principais a oxidação de ferro e manganês, controle de biofilmes e crescimento microbiológico em estruturas de captação e adutoras de água bruta, remoção de cor, minimização da formação de THM s e controle de gosto e odor em águas de abastecimento. A aplicação do permanganato de potássio em águas de abastecimento é efetuada primariamente na forma de pré-oxidante, conforme apresentado na Figura 1. KMnO 4 KMnO 4 KMnO4 Água Bruta Pré-oxidação Coagulação Floculação Sedimentação Pós-oxidação Filtração Inter-oxidação Cloraminas, Cl 2, ClO 2 O 3, Cl 2, ClO 2 Figura 1 Pontos de aplicação de permanganato de potássio como agente oxidante no tratamento convencional de águas de abastecimento O permanganato de potássio pode ser aplicado na forma líquida ou em pó, havendo preferência pela sua aplicação na forma líquida. Quando em meio aquoso, o permanganato de potássio dissocia-se segundo a seguinte reação química: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 KMnO 4 + H 2 O K + + MnO H 2 O (1) A reação química acima possui uma constante de equilíbrio alta, o que faz com que toda ela esteja praticamente deslocada para a direita e, sendo assim, possa ser considerada como irreversível. Em função disso, a solubilidade do permanganato de potássio em meio aquoso também é muito alta, sendo da ordem de 5 g/l a 2 C. O permanganato de potássio como agente oxidante pode apresentar dois diferentes comportamentos, em função do ph da fase líquida, a saber: Em meio acido, tem-se que: MnO H + + 3e - MnO 2 + 2H 2 O (2) MnO H + + 5e - Mn H 2 O (3) A reação química (2) ocorre preferencialmente quando o ph da fase líquida estiver próximo da neutralidade, entre valores da ordem de 5, a 8,, haja visto que nesta faixa o manganês é altamente insolúvel, precipitandose na forma de MnO 2. Por sua vez, a reação química (3) ocorre preponderantemente em valores de ph inferiores a 3, uma vez que, abaixo deste valor, o sub-produto da reação de óxido-redução do permanganato de potássio é o manganês no estado de oxidação +2, sendo este altamente solúvel nesta faixa de ph. Em meio básico, tem-se que: MnO H + + 3e - MnO 2 + 4OH - (4) Para valores de ph da fase líquida próximo da neutralidade e em meio básico, o principal sub-produto resultante da aplicação do permanganato de potássio na fase líquida é o dióxido de manganês, apresentando-se este na forma precipitada (Equações (2) e (4)). Deste modo, a utilização do permanganato de potássio como agente oxidante deve ser efetuado de forma tal que a fase sólida gerada quando da sua aplicação na fase líquida seja removida de forma eficiente a fim de que não hajam prejuízos à qualidade da água final. Este é um dos principais motivos que balizam a aplicação do permanganato de potássio na forma de agente pré-oxidante, uma vez que a remoção do MnO 2 deverá ocorrer de forma eficiente durante os processos de coagulação, floculação, sedimentação e filtração. Conforme apresentado na Figura 1, o permanganato de potássio pode ser aplicado à montante do processo de coagulação, juntamente com o coagulante ou à jusante do processo de coagulação. Em função das características do Sistema Produtor, a aplicação do permanganato de potássio à montante do processo de coagulação pode ser uma excelente alternativa tecnológica em face do aumento do tempo de contato entre o agente oxidante e a fase líquida, o que permite uma maior capacidade de oxidação de CON's presentes na água bruta. Caso a distância entre a captação e a unidade de mistura rápida não seja suficientemente longa a ponto de justificar a sua aplicação neste ponto, a sua introdução imediatamente antes ou juntamente com o coagulante é a mais recomendada, por facilitar a incorporação do dióxido de manganês precipitado nos flocos formados quando da precipitação do coagulante na forma de hidróxido metálico. Estudos efetuados por SANTOS (2), indicaram que a introdução do permanganato de potássio à jusante do coagulante não permitiu que o dióxido de manganês fosse removido de forma eficiente durante o processo de sedimentação diferencial, o que acarretou uma sobrecarga nos filtros e ocorrência de traspasse do manganês na forma sólida para a água final. Com o objetivo de permitir uma maior flexibilidade operacional da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA ABV), foi construído e instalado um sistema de aplicação de permanganato de potássio na ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 água bruta que permitisse a operação do processo de pré-oxidação em períodos em que não fosse possível o emprego do cloro. No entanto, as condições ótimas em que o permanganato de potássio deve ser dosado na água bruta não foram devidamente estabelecidas e, em função do seu custo elevado, estas devem ser definidas previamente a fim de que seja possível a otimização do processo de tratamento de água como um todo. OBJETIVO Tendo por objetivo avaliar a aplicabilidade do permanganato de potássio como agente pré-oxidante para a Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista, este trabalho foi conduzido de modo que fosse possível: Execução de ensaios de demanda para ambos os agentes oxidantes (cloro e permanganato de potássio) a fim de que possa ser possível a definição de suas dosagens ótimas de aplicação na água bruta. Avaliar a qualidade da água decantada com e sem a aplicação do permanganato de potássio como agente pré-oxidante em termos de turbidez, contagem de algas e contagem de partículas. Definir as dosagens ótimas de permanganato de potássio e demais agentes coagulantes com objetivo principal de otimização da qualidade da água decantada e minimização da concentração residual de agentes oxidantes na água bruta que venham a comprometer a eficiência do processo de tratamento. MATERIAIS E MÉTODOS A execução dos ensaios experimentais foi dividida em Etapas, a saber: Etapa 1: Execução de ensaios de demanda dos agentes oxidantes permanganato de potássio e cloro livre para as condições hidráulicas do Sistema Produtor do Guarapiranga e da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV) objetivando a avaliação do comportamento da dosagem de ambos os agentes oxidantes e seus residuais na água bruta. Etapa 2: Execução de ensaios de jar-test comparativos mediante a aplicação de permanganato de potássio e cloro livre na forma de pré-oxidante, reproduzindo-se as condições hidráulicas do Sistema Produtor do Guarapiranga e da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV). A avaliação da qualidade da água decantada foi avaliada em função dos parâmetros turbidez, contagem de algas e contagem de partículas. A água bruta utilizada na investigação experimental é proveniente do reservatório do Guarapiranga e abastece integralmente a Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA - ABV), a qual é operada pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP) e está localizada na região metropolitana de São Paulo (RMSP). As principais características da água bruta que abastece à ETA-ABV estão apresentadas na Tabela 1 (FREDERICO et al. (1999)). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 1 - Características da água bruta que abastece à ETA-ABV. Parâmetro Unidade Valores médios (faixa de variação) ph (6,48-6,86) Turbidez UNT 4, (3,-6,) Cor aparente UC 25, Cor real UC < 5 UV-254 nm cm -1,58 (,4-,76) Carbono orgânico total mg/l 4, (3,1-4,9) Alcalidade Total mg/l CaCO 3 25, Dureza Total mg/l CaCO 3 23, Cálcio mg/l CaCO 3 22, Cloretos mg/l Cl - 16, Sólidos Dissolvidos Totais mg/l 75, Sólidos Dissolvidos Fixos mg/l 5, Cloro Residual Livre mg/l 1,5 * Água bruta pré-clorada na captação A água bruta é recalcada a partir do Reservatório do Guarapiranga e conduzida à ETA-ABV por uma adutora de 2.5 mm de diâmetro. A Estação Elevatória é composta por cinco conjunto moto-bombas mais um de reserva. A aplicação do cloro ou permanganato de potássio como agentes pré-oxidantes pode ser efetuado diretamente na água bruta através de um difusor instalado diretamente na estrutura de captação. Em função do nível d água no manancial e do poço de sucção, o tempo de contato entre o agente oxidante e a água bruta, para a situação crítica de nível mínimo, pode ser admitida como aproximadamente igual a 8 minutos. Imediatamente à montante das bombas de recalque é efetuada a aplicação de CAP na água bruta para controle de compostos orgânicos causadores de gosto e odor em águas de abastecimento. A Figura 2 apresenta uma vista geral da Estação Elevatória, do sistema de estoque, preparação e aplicação de CAP na água bruta, bem como das instalações de preparação e aplicação de permanganato de potássio. Os ensaios foram realizados nas dependências do Laboratório de Pesquisa da Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista, sendo conduzidos em escala de laboratório, tendo-se por objetivo principal representar o comportamento hidráulico do Sistema Produtor do Guarapiranga. No total, foram executados vinte ensaios de jar-test, tendo estes as características apresentadas na Tabela 2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 2 Vista geral da Elevatória de água bruta, do sistema de aplicação de CAP e permanganato de potássio na água bruta. Sistema Produtor do Guarapiranga. Tabela 2 Quadro resumo dos ensaios de jar-test a serem executados ETAPA - ENSAIO Agente pré-oxidante Dosagem de sulfato férrico Dosagem de polímero 1 Cloro livre 3, mg/l, mg/l Variável 2 Permanganato de potássio 3, mg/l, mg/l Variável 3 Cloro livre 3, mg/l,5 mg/l Variável 4 Permanganato de potássio 3, mg/l,5 mg/l Variável 5 Cloro livre 3, mg/l,25 mg/l Variável 6 Permanganato de potássio 3, mg/l,25 mg/l Variável 7 Cloro livre 3, mg/l, mg/l Variável 8 Permanganato de potássio 3, mg/l, mg/l Variável 9 Cloro livre 3, mg/l,25 mg/l Variável 1 Permanganato de potássio 3, mg/l,25 mg/l Variável 11 Cloro livre 3, mg/l,5 mg/l Variável 12 Permanganato de potássio 3, mg/l,5 mg/l Variável 13 Cloro livre 3, mg/l,75 mg/l Variável 14 Permanganato de potássio 3, mg/l,75 mg/l Variável 15 Cloro livre 3, mg/l, mg/l Variável 16 Permanganato de potássio 3, mg/l, mg/l Variável 17 Cloro livre 3, mg/l,25 mg/l Variável 18 Permanganato de potássio 3, mg/l,25 mg/l Variável 19 Cloro livre 3, mg/l,5 mg/l Variável 2 Permanganato de potássio 3, mg/l,5 mg/l Variável Dosagem de agente oxidante As dosagens de coagulante e condições fixadas para a realização dos ensaios de jar-test foram efetuadas de modo a representar o mais fielmente possível o comportamento hidráulico e operacional do Sistema Produtor do Guarapiranga. A aplicação de cloro livre foi efetuada a partir de uma solução-mãe de hipoclorito de sódio, preparada com uma concentração igual a 2. mg Cl 2 /l. A determinação da concentração de cloro livre na solução foi efetuada por iodometria clássica, conforme apresentado em APHA (1998). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 A aplicação de permanganato de potássio foi efetuada a partir de uma solução-mãe, preparada com uma concentração igual a 1. mg KMnO 4 /l. A determinação da concentração de permanganato de potássio na solução foi efetuada por iodometria clássica, conforme apresentado em APHA (1998), mediante a titulação de uma solução padrão primário de oxalato de sódio. A correção de ph nos ensaios de jar-test foi efetuada mediante o emprego de soluções de hidróxido de sódio (NaOH),1 M e ácido clorídrico (HCl),1 M. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS As Figuras 3 e 4 apresentam resultados típicos obtidos para as concentrações residuais dos agentes oxidantes cloro e permanganato de potássio para os ensaios preliminares de demanda conduzidos com a água bruta proveniente do Sistema Produtor do Guarapiranga para os tempos de contato de 8 minutos e 38 minutos. Ambos os tempos de contato considerados nos ensaios de demanda estão relacionados com a operação do sistema de adução de água bruta. O tempo 8 minutos está relacionado com o tempo de contato do agente oxidante com a água bruta imediatamente antes da aplicação do CAP. Por sua vez, o tempo 38 minutos é o tempo de detenção hidráulico médio da água bruta até sua chegada à ETA-ABV. 1,4 Concentração residual (mg CL2/l) 1,2 1,8,6,4,2 T = 8 min T = 38 min, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Dosagem aplicada (mg CL2/l) Figura 3 Ensaio de demanda de cloro para tempos de contato de 8 e 38 minutos. Ensaio de jar-test 8 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 1,2 Concentração residual (mg KMnO4/l) 1,8,6,4,2,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 1,8 2, Dosagem aplicada (mg KMnO4/l) T = 8 min T = 38 min Figura 4 Ensaio de demanda de permanganato de potássio para tempos de contato de 8 e 38 minutos. Ensaio de jar-test 8 Analisando-se as Figuras 3 e 4, pode-se observar um comportamento distinto com respeito à aplicação do cloro e do permanganato de potássio como agentes oxidantes. Inicialmente, pode-se observar que, para um tempo de contato do agente oxidante de 8 minutos com a água bruta, a demanda do cloro livre foi maior quando comparada com o permanganato de potássio. Uma vez que as concentrações de ferro e manganês solúvel na água bruta foram bastante reduzidas durante o período de execução da investigação experimental, a demanda por ambos os agentes oxidantes deve-se basicamente às suas reações com os compostos orgânicos naturais presentes na fase líquida. Embora tivesse sido observado alterações na qualidade da água bruta durante o período de execução dos ensaios experimentais, de modo que pudesse ser mantida uma concentração residual de permanganato de potássio de,1 mg/l para um tempo de contato de 8 minutos, seria necessário efetuar uma dosagem da ordem de,5 mg/l. No entanto, admitindo-se a necessidade de manutenção de uma concentração de cloro residual livre de,1 mg/l, para o mesmo tempo de contato de 8 minutos, a dosagem aplicada de cloro situou-se em torno de 1, mg/l. É importante ressaltar que tais valores de concentração de agentes oxidantes aplicados são válidos somente para a situação de ausência de ferro solúvel e manganês solúvel na água bruta, bem como de nitrogênio amoniacal. Deste modo, a demanda de ambos os agentes oxidantes passa a estar diretamente relacionada com as reações de ambos com os compostos orgânicos naturais presentes na água bruta. A necessidade de manutenção de baixas concentrações residuais de ambos agentes oxidantes para um tempo de contato de 8 minutos está diretamente relacionado ao fato de que, após este tempo de contato do agente oxidante com a água bruta, a operação do Sistema Produtor do Guarapiranga prevê a aplicação de CAP na água bruta para a remoção de compostos orgânicos causadores de gosto e odor. A fim de que não haja o cruzamento entre o agente oxidante aplicado e o CAP, o que poderia interferir de modo negativo na sua capacidade de adsorção, foi operacionalmente definido que sua concentração residual após um tempo de contato de 8 minutos deveria ser mínima. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 Uma vez que a cinética de oxidação do manganês pelo cloro livre é muito reduzida para valores de ph comumente observados para a água bruta proveniente do Reservatório do Guarapiranga, a aplicação do permanganato de potássio faz-se mais adequada. Para episódios de ausência de compostos orgânicos causadores de gosto e odor na água bruta, o que dispensaria a aplicação do CAP, para um tempo de contato de 38 minutos, o que corresponde ao tempo de detenção hidráulico da água bruta no sistema de captação e adutora até a sua chegada à ETA-ABV, de modo que seja possível manter uma concentração residual de,1 mg/l de cloro livre e permanganato de potássio na água bruta junto à unidade de mistura rápida, as dosagens de ambos os agentes oxidantes a serem aplicados junto à captação seriam de, aproximadamente, 3, mg/l a 4, mg/l para o cloro e,75 mg/l a 1, mg/l para o permanganato de potássio. A comparação entre o comportamento de ambos agentes oxidantes para os tempos de contato de 8 minutos e 38 minutos indica que o cloro apresenta maior demanda do que quando comparado com o permanganato de potássio, e a fim de que seja mantida uma concentração de agente oxidante ao longo da adutora de água bruta, as dosagens de cloro a serem aplicadas tenderão a serem maiores quando comparadas com o permanganato de potássio. A eventual aplicação de dosagens de permanganato de potássio superiores a 1, mg/l a fim de que seja possível o estabelecimento de maiores concentrações residuais ao longo da adutora de água bruta não é recomendável, uma vez que pode ocasionar problemas na operação da ETA-ABV, notadamente a sua não redução para dióxido de manganês e posterior remoção durante os processos de coagulação floculação, o que pode permitir altas concentrações de manganês na água final. Assim sendo, a aplicação do permanganato de potássio em uma dosagem tal que permita maiores concentrações residuais ao longo da adutora de água bruta não é vantajosa pois a sua máxima dosagem estaria limitada a 1, mg/l, admitindo que as concentrações de ferro solúvel e manganês solúvel na água bruta sejam reduzidas. Portanto, durante o período de tempo em que não houver na água bruta a presença de compostos orgânicos causadores de gosto e odor, torna-se mais atrativa a manutenção da aplicação do cloro como agente préoxidante pelo fato deste permitir a solução de problemas múltiplos, mais notadamente, o controle do crescimento do biofilme na adutora de água bruta, a oxidação de cianotoxinas, oxidação de ferro solúvel e manganês solúvel para o tempo de contato de 38 minutos. Portanto, a aplicação do permanganato de potássio como agente pré-oxidante torna-se recomendada nos episódios em que, conjuntamente, a água bruta apresente problemas de gosto e odor e necessite de aplicação do CAP junto à captação, bem como sejam elevadas as concentrações de manganês solúvel. As Figuras 5 e 6 apresentam resultados típicos das concentrações de manganês solúvel da água pré-oxidada para um tempo de contato de 38 minutos e água decantada para os ensaios de jar-test conduzidos com a água bruta proveniente do Sistema Produtor do Guarapiranga, tendo-se empregado o cloro e permanganato de potássio como agentes pré-oxidantes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 Concentração de manganês residual (mg/l),5,45,4,35,3,25,2,15,1,5,42,4,38,32,23,21,16,16,1,12,6,3, 1, 2, 4, 6, 8, Dosagem de cloro (mg Cl2/l) T38 Manganês Solúvel Manganês Solúvel - Água decantada Figura 5 Concentração de manganês solúvel na água bruta para o tempo de contato de 38 minutos e água decantada. Ensaio de demanda 4. Agente oxidante: Cloro Concentração residual (mg/l),6,5,4,3,2,1,,58,5,31,27,25,26,27,24,25,2,21,22,2,2,2,16,5,,,25,5,75 1, 1,5 Dosagem de KMnO4 (mg/l) T38 - KMnO4 T38 Manganês Solúvel Manganês Solúvel - Água decantada Figura 6 Concentração de manganês solúvel na água bruta para o tempo de contato de 38 minutos e água decantada. Ensaio de demanda 4. Agente oxidante: Permanganato de potássio Analisando-se os valores de concentração de manganês solúvel na água bruta e água decantada para os ensaios executados tendo-se empregado o cloro como agente pré-oxidante, pode-se observar que os valores de concentração de manganês solúvel na água decantada são superiores aos valores de manganês solúvel na água ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

11 bruta para o tempo de contato de 38 minutos. Estes maiores valores de concentração de manganês solúvel na água decantada devem-se, basicamente, a aplicação do coagulante na água bruta. Com o objetivo de preservar a qualidade da água final e permitir a oxidação do manganês solúvel introduzido pelo coagulante, a operação da ETA-ABV prevê a manutenção de uma concentração de cloro livre na água coagulada e decantada, sendo este aplicado na forma de inter-oxidação e, com o objetivo de favorecer a sua cinética de oxidação, a operação do processo de coagulação é efetuado em uma faixa de ph básico, da ordem de 8, e 8,5. Dentre os problemas operacionais observados quando da operação do processo de coagulação nesta faixa de ph entre 8, e 8,5 e a aplicação do cloro como inter-cloração, pode-se ressaltar: Piora na remoção de material particulado e algas quando da operação do processo de coagulação na faixa de ph entre 8, e 8,5 quando comparado com o originalmente concebido para a ETA-ABV (Faixa de ph entre 5,6 e 6,). Queda da eficiência de remoção de compostos orgânicos naturais. Aumento na concentração de compostos orgânicos causadores de gosto e odor na água coagulada quando da aplicação do cloro como agente pré-oxidante e inter-oxidante em função da lise celular de algas e demais microrganismos. Deste modo, a possibilidade de melhoria destes problemas operacionais da ETA-ABV reside no fornecimento de um coagulante com baixa concentração de manganês solúvel, o que possibilitaria manter as atuais condições operacionais do processo de coagulação. Portanto, pode-se afirmar que, quando empregado um coagulante com baixa concentração de manganês solúvel, pode-se eliminar as etapas de pré e inter-oxidação, sem que haja prejuízos à qualidade da água final. Deste modo, pode-se continuar a operação do processo de coagulação-floculação na faixa de ph entre 5,6 e 6,, o que permite a maximização de material particulado, algas e compostos orgânicos naturais, otimizandose os múltiplos objetivos do tratamento de água. É interessante observar que, para todos os ensaios de jar-test efetuados tendo-se empregado o permanganato de potássio como agente pré-oxidante, para altas concentrações residuais na água bruta para um tempo de contato de 38 minutos, valores superiores a,1 mg/l, notou-se um aumento na concentração de manganês solúvel na água decantada. Este aumento na concentração de manganês solúvel na água decantada não está relacionado somente com a sua introdução pela solução do coagulante, mas sim pela concentração residual de permanganato de potássio na água decantada. Isto significa que, quando da eventual aplicação do permanganato de potássio como agente pré-oxidante junto à captação, a sua dosagem aplicada deve ser tal que não permita que a sua concentração residual na água bruta quando na sua chegada à ETA-ABV seja superior a,1 mg/l. Caso haja uma eventual falha operacional na dosagem de permanganato de potássio na água bruta junto à captação que permita uma concentração residual de,1 mg/l junto à ETA, pode-se efetuar o seu controle mediante a aplicação de peróxido de hidrogênio, em uma condição estequiométrica a fim de permitir a sua redução da fase líquida. Para o caso específico dos ensaios de jar-test executados, como houve a aplicação do CAP na água bruta, ocorreu uma redução na concentração residual de permanganato de potássio para o tempo de contato de 38 minutos, o que permitiu um melhor controle das concentrações de manganês solúvel na água decantada. Deste modo, fica evidenciada a importância do controle da correta dosagem de permanganato de potássio na água bruta a fim de que não ocorram problemas de altas concentrações de manganês solúvel na água decantada. As Figuras 7 e 8 apresentam os resultados de turbidez da água decantada obtidos para os ensaios de jar-test conduzidos com a água bruta proveniente do Sistema Produtor do Guarapiranga, tendo-se empregado o cloro e permanganato de potássio como agentes pré-oxidantes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 11

12 1,2 1 1,1 Ensaio 8 Dosagem de polímero:, mg/l Turbidez (UNT),8,6,4,62,57,61,54,61 Turbidez (NTU) - Cl2,2, 1, 2, 3, 4, 6, Dosagem de cloro (mg Cl2/l) Figura 7 Turbidez da água decantada obtido quando da aplicação do cloro como agente pré-oxidante. Ensaio de jar-test 8 1,9,86,87,92,95 Ensaio 8,88 Dosagem de polímero:, mg/l,8,77 Turbidez (UNT),7,6,5,4,3,2,1 Turbidez (NTU) - KMnO4,,25,5,75 1, 1,5 Dosagem de KMnO4 (mg/l) Figura 8 Turbidez da água decantada obtido quando da aplicação do permanganato de potássio como agente pré-oxidante. Ensaio de jar-test 8 Os ensaios 1, 4 e 8 foram efetuados sem a aplicação do polímero catiônico como auxiliar de coagulação. Observou-se que, para os ensaios 1 e 4, os valores de turbidez da água decantada situaram-se entre 1,5 UNT e 3, UNT para os ensaios em que foi empregado o cloro e o permanganato de potássio como agente préoxidante. Para estes ensaios em particular, pode-se afirmar que não foi observada nenhuma diferença significativa na qualidade da água decantada quando utilizado o cloro e o permanganato de potássio como agentes pré-oxidantes. O ensaio 8, por sua vez, conforme pode-se observar analisando-se as Figuras 7 e 8, os valores de turbidez da água decantada obtidos foram significativamente menores quando comparados com os obtidos nos ensaios 1 e 4, tendo-se obtido valores inferiores a 1, UNT. Deste modo, pode-se dizer que, com ou sem a aplicação do polímero catiônico, não há nenhuma significativa diferença entre a qualidade da água decantada quando empregados ambos os agentes oxidantes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 12

13 As Figuras 9 e 1 apresentam os resultados de contagem de partículas da água decantada obtidos para os ensaios de jar-test conduzidos com a água bruta proveniente do Sistema Produtor do Guarapiranga, tendo-se empregado o cloro e permanganato de potássio como agentes pré-oxidantes. De modo a permitir a análise dos resultados de contagem de partículas para a água decantada, estes foram agrupados em duas categorias distintas, a saber: Contagem de partículas na faixa de,5 µm a 6 µm e contagem de partículas na faixa de 2 µm a 1 µm. Esta última é particularmente importante pois é nesta que concentram-se os diâmetros característicos dos cistos de Giárdia e oocistos de Criptosporidium Contagem de partículas (#/ml) Total (2 um a 1 um) Total Acumulado Dos= Dos=1, Dos=2, Dos=4, Dos=6, Dos=8, Bruta Cloro Cloro Cloro Cloro Cloro Cloro Figura 9 Contagem de partículas da água decantada obtido quando da aplicação do cloro como agente pré-oxidante. Ensaio de jar-test 2 ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 13

14 Contagem de partículas (#/ml) Total (2 um a 1 um) Total Acumulado Dos= Dos=,25 Dos=,5 Dos=,75 Dos=1, Dos=1,5 Bruta KMnO4 KMnO4 KMnO4 KMnO4 KMnO4 KMnO4 Figura 1 Contagem de partículas da água decantada obtido quando da aplicação do permanganato de potássio como agente pré-oxidante. Ensaio de jar-test 2 Analisando-se o comportamento das Figuras 9 e 1, pode-se observar que há uma diminuição do número de partículas da água bruta nas faixas de 2 µm a 1 µm e de,5 µm a 6 µm para todos os ensaios de jar-test conduzidos com cloro e permanganato de potássio. Evidentemente, esta remoção do número de partículas presentes na água bruta está diretamente relacionada com a eficiência do processo de coagulação-floculação que, conforme já dito anteriormente, foi operado com uma dosagem de coagulante constante (3 mg Fe 2 (SO 4 ) 3 /l), ph de coagulação situado entre 6, e 6,5 e tendo como única variável a aplicação de diferentes dosagens de polímero catiônico como auxiliar de coagulação. Para praticamente todos os ensaios, a concentração de partículas na água bruta na faixa de 2 µm a 1 µm situou-se entre 4. #/ml e 1. #/ml, enquanto os valores de concentração de partículas na água decantada ficaram entre 1.5 #/ml e 2.5 #/ml para os ensaios em que não foi efetuada a aplicação de ambos os agentes oxidantes. Do mesmo modo que o parâmetro turbidez, comparando-se os valores de contagem de partículas para a água decantada obtida nos ensaios de jar-test conduzidos com cloro e permanganto de potássio como agentes préoxidantes, pode-se observar que não foram evidenciadas diferenças significativas entre ambos os valores. Deste modo, pode-se afirmar que, especificamente para a água bruta proveniente do Reservatório do Guarapiranga, os valores de contagem de partículas na água decantada mostraram-se independentes do tipo e dosagem de agente oxidante aplicado na forma de pré-oxidação, o que significa dizer que a sua aplicação deverá ser motivada por outros objetivos a serem atingidos, especificamente controle de biofilme na adutora de água bruta, oxidação de ferro e manganês, inativação de algas e controle de gosto e odor em águas de abastecimento. As Figuras 11 e 12 apresentam os resultados de contagem de algas da água decantada obtidos para os ensaios de jar-test conduzidos com a água bruta proveniente do Sistema Produtor do Guarapiranga, tendo-se empregado o cloro e permanganato de potássio como agentes pré-oxidantes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 14

15 16 14 Ensaio 5 Dosagem de polímero:,25 mg/l Contagem de partículas (#/ml) Contagem de algas (#/ml) Dos= Dos=1, Dos=2, Dos=4, Dos=6, Dos=8, Bruta Cloro Cloro Cloro Cloro Cloro Cloro Figura 11 Contagem de algas na água decantada obtido quando da aplicação do cloro como agente pré-oxidante. Ensaio de jar-test Ensaio 5 Dosagem de polímero:,25 mg/l Contagem de partículas (#/ml) Contagem de algas (#/ml) Dos= Dos=,25 Dos=,5 Dos=,75 Dos=1, Dos=1,5 Bruta KMnO4 KMnO4 KMnO4 KMnO4 KMnO4 KMnO4 Figura 12 Contagem de algas na água decantada obtido quando da aplicação do permanganato de potássio como agente pré-oxidante. Ensaio de jar-test 5 Uma das grandes preocupações da Equipe de Operação da ETA-ABV é com respeito à qualidade da água bruta, decantada e filtrada com respeito a sua qualidade hidrobiológica, fato este motivado pela grande variabilidade temporal e espacial da qualidade da água no Reservatório do Guarapiranga. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 15

16 Operacionalmente, o parâmetro rotineiramente empregado para a avaliação do comportamento das operações unitárias de coagulação, floculação, sedimentação e filtração é a turbidez. No entanto, em função do comportamento da qualidade da água bruta no manancial, são conduzidas avaliações hidrobiológicas da água decantada e filtrada e, com base nos resultados obtidos, são redirecionados os parâmetros que governam o processo de tratamento, tais como a dosagem de coagulante, ph de coagulação, dosagem de polímero catiônico, entre outros. Assim sendo, dada a complexidade do Sistema Produtor do Guarapiranga, a análise hidrobiológica da água bruta e do efluente das operações unitárias que compõem a estação de tratamento de água são de fundamental importância para a avaliação do processo de tratamento, haja visto que, na grande maioria das vezes, os parâmetros turbidez e contagem de partículas não são suficientemente representativos para tal. Comparando-se ambos os agentes oxidantes com respeito à remoção de microrganismos da água bruta, para os ensaios executados, pode-se dizer que o cloro apresentou uma melhor performance do que quando comparado com o permanganato de potássio. Com respeito ao permanganato de potássio, conforme pode ser observado nos resultados experimentais obtidos, a sua aplicação tendo por objetivo uma eventual melhoria da qualidade da água decantada com respeito ao parâmetro contagem de algas deve ser descartada, uma vez que os valores obtidos para a água decantada sem a sua aplicação foram muito próximos dos obtidos quando da sua aplicação. É interessante observar que, comparando-se os resultados de turbidez da água decantada, contagem de partículas e contagem de algas para os ensaios em que foi empregado o cloro como agente pré-oxidante, as mesmas tendências observadas quando da análise dos resultados de contagem de algas pode ser inferido para os demais parâmetros. Deste modo, com a aplicação do cloro como agente pré-oxidante, pode-se observar uma melhoria na qualidade da água decantada com respeito aos parâmetros sanitários turbidez, contagem de partículas e contagem de algas. No entanto, esta melhoria não está relacionada linearmente com a dosagem de cloro aplicada, sendo que uma dosagem de 1, mg/l produziu resultados semelhantes quando aplicado dosagens da ordem de 8, mg/l. Também é interessante observar que o parâmetro contagem de algas apresentou muito melhor sensibilidade com respeito à variação da dosagem do agente pré-oxidante aplicado do que quando comparado com os parâmetros turbidez e contagem de partículas. Deste modo, reforça-se a importância de se buscar uma maior abrangência de parâmetros sanitários para a avaliação dos processos unitários componentes da Estação de Tratamento de Água do ABV, o que atualmente já é efetuado pelo corpo técnico da SABESP, especificamente com respeito às avaliações hidrobiológicas da água bruta, decantada, filtrada e final. A grande vantagem do emprego do permanganato de potássio como agente pré-oxidante em substituição ao cloro é, sem dúvida, com respeito a formação de sub-produtos da desinfecção, uma vez que, removido parte dos compostos orgânicos naturais presentes na água bruta pelo mecanismo de coagulação e não tendo a presença de cloro livre, menor será a probabilidade de formação de THM s, o que constitui-se em uma poderosa ferramenta operacional no controle da qualidade da água tratada. Os resultados apresentados por OLIVEIRA (23) confirmam que, em certas épocas do ano, a redução na formação de THM s para a água final produzida pela ETA ABV pode chegar a 5% quando empregado o permanganato de potássio como agente oxidante em lugar do cloro. Como a formação de THM s apresenta uma forte sazonalidade, sendo maior no período situado entre novembro a março (período de chuvas), a utilização do permanganato de potássio pode ser alternada com o cloro, sendo este empregado durante o perído de seca e aquele durante o período de chuvas. CONCLUSÕES De acordo com os resultados experimentais obtidos pode-se concluir que: Para todos os ensaios executados, a demanda de cloro pela água bruta foi superior quando comparado com o permanganato de potássio. Para um tempo de contato de 38 minutos, estas situram-se na faixa de 6, mg Cl 2 /L e 1, mg KMnO 4 /L. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 16

17 Com relação ao parâmetro turbidez e contagem de partículas da água decantada, não foi evidenciada nenhuma diferença para os ensaios executados tendo-se aplicado o cloro e o permanganato do potássio como agentes pré-oxidantes, o que significa dizer que, especificamente para a água bruta proveniente do Reservatório do Guarapiranga, não há nenhum prejuízo que possa ser esperado na qualidade da água decantada, expressa pelo parâmetro turbidez e contagem de partículas, em função da mudança do agente pré-oxidante do cloro para o permanganato de potássio. Observando-se os resultados obtidos com relação à remoção de algas, observou-se que o cloro quando aplicado na forma de pré-oxidante, comportou-se melhor quando comparado com o permanganato de potássio, embora não tivesse sido evidenciado nenhuma diferença significativa com respeito aos parâmetros turbidez e contagem de partículas. A utilização do permanganato de potássio como agente pré-oxidante é altamente viável para o Sistema Produtor do Guarapiranga, especialmente nos períodos em que houver um aumento na demanda de cloro e para fins de controle da formação de THM s. Dado que a sua demanda é menor do que quando comparado com o cloro, ainda que o custo seja maior em base mássica, economicamente a sua aplicação ainda sim é atrativa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (APHA). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 2a ed, AWWA, Washington DC, USA FREDERICO, E.A., GARZUZI, M.P., FERREIRA FILHO, S.S., MOZETO, A.A. Remoção de compostos orgânicos naturais no processo convencional de tratamento de água: influência do ph e da dosagem de coagulante na eficiência do processo. In: 2º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 1., RIO DE JANEIRO, HASSLER, W.W. The history of taste and odor control. Journal American Water Works Association, v.33, n.2, p , OLIVEIRA, A.C., FERREIRA FILHO, S.S. Minimização da formação de THM s em águas de abastecimento. In: 22º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL, 1., JOINVILLE, SANTOS, C.M. Comunicação Pessoal. 2. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 17