23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

Transcrição

1 I REMOÇÃO DE FERRO EM ÁGUAS DE ABASTECIMENTO, MAXIMIZAÇÃO DA EFICIÊNCIA DOS PROCESSOS OXIDATIVOS, SEGUIDOS DE FILTRAÇÃO DIRETA-CONDICIONANTES E RESULTADOS PRÁTICOS. D artagnam Gomes Nascimento Filho (1) Técnico em Saneamento pelo SENAI/PARANÁ (1989). Responsável técnico pela unidade de tratamento e controle de qualidade de água da Unidade de Negócio de Feira de Santana / EMBASA (1997). Pesquisador de métodos e técnicas de tratamento e controle de qualidade de águas subterrâneas. Na atualidade Gerente do Escritório Regional de ITAPARICA - BA / EMBASA. Adelmo Gomes Pereira (2) Técnico em Química pelo CEFET BA, com especializações em tratamento de água para processos industriais, na atualidade gerente de produção de industria química de produtos para tratamento de água. Endereço (1) : Conjunto João Paulo II, rua L, casa 90, Mangabeira, Feira de Santana - BA, CEP Brasil Tel.: (71) ; Cel. : (71) e mail : dartagnam@gd.com.br RESUMO No Brasil muitas regiões convivem com excesso de ferro nas águas subterrâneas, particularmente aquelas captadas em terrenos antigos e aluviões, o ferro é encontrado com maior freqüência sob a forma de bicarbonato ferroso dissolvido, em águas que devido à ação de filtração lenta através das camadas permeáveis do solo, apresentam-se com baixos teores de cor e turbidez, agressivas (ph baixo), ricas em gás carbônico e com baixo oxigênio dissolvido. As águas contendo ferro dissolvido na forma de bicarbonato ferroso na ausência de oxigênio são límpidas e de aparência agradável, após contato com o ar, o bicarbonato oxida-se e precipita-se, ocasionando o mau aspecto, conferindo coloração avermelhada à água e outros inconvenientes (sabor "metálico", possibilita ainda o desenvolvimento de bactérias ferruginosas). Como na maioria das vezes o ferro esta presente junto com a matéria orgânica, as águas, em geral, não dispensam o tratamento químico e a filtração. Neste contesto a oxidação com cloro e a filtração direta descendente seguida de coluna de Carvão Ativado Granulado ( CAG ) apresenta-se como alternativa técnica e economicamente viável para adequação destas águas, com teores de ferro da ordem de 1,0 a 4,5 mg / l Fe. Os testes até então realizados demonstram a eficiência do leito misto areia e CAG para remoção dos compostos indesejáveis gerados pela oxidação com o cloro, sendo necessário o acompanhamento do processo para identificar o ponto de saturação do CAG, os residuais de ferro ( na forma de hidróxido férrico ) são removidos com eficiência da ordem de 80 a 90 % da concentração afluente. Neste trabalho são apresentados dados e resultados conclusivos que evidenciam a potencialidade do processo de remoção de ferro, fruto da experiência da implantação de 06 unidades que encontram-se em plena operação atestando a eficiência e eficácia da técnica. PALAVRAS-CHAVE: Filtração direta descendente, Remoção de ferro, oxidação. INTRODUÇÃO O caminho seguido pelas águas na natureza condiciona as impurezas que elas adquirem segundo Plínius - Tales sunt aque, qualis terra per quan fluunt ( tais são as águas, quais caminhos percola, com sentido de qualificação, ou seja, a qualidade é função de seu percurso, já que é solvente universal ). O ferro e o manganês são constituintes naturais do solo e das rochas. O ferro um dos elementos mais abundantes é encontrado com muito mais freqüência que o manganês. O ferro se encontra nos minerais de silicatos das rochas ígneas, sob forma de diversos óxidos, tais como a magnetita, a hematita e a limonita. Os minerais sulfurados e carbonatados também são fontes importantes de ferro, tais como a pirita e a siderita, o manganês se encontra em maiores proporções nas rochas metamórficas e sedimentares, os óxidos de manganês tais como a manganita e a pirolusita, se acumulam nos solos à medida que os constituintes mais solúveis se separam por lixiviação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 A dissolução dos minerais de ferro e manganês é atribuída à ação do dióxido de carbono nas águas subterrâneas, a maior parte deste dióxido de carbono se forma pela decomposição bacteriana da matéria orgânica extraída do solo, a dissolução desses minerais pode ocorrer em condições anóxicas e na presença de agentes redutores (como, substancias orgânicas e sulfeto de hidrogênio) capazes de reduzir os compostos oxidados de ferro e manganês aos estados ferroso (Fe 2+ ) e manganoso (Mn 2+ ). A maioria das águas naturais possui uma quantidade significativa de alcalinidade, isto é, possui carbonatos e bicarbonatos, o que faz com que a faixa de valores de ph varie entre 5,0 e 9,5. As concentrações de ferro e manganês solúveis contidas nessas águas são freqüentemente controladas pela solubilidade de seus carbonatos. Como a alcalinidade da maioria das águas naturais é devida, principalmente, ao sistema ácido carbônico existe uma relação inversamente proporcional entre a alcalinidade e a concentração de ferro solúvel na água. Quando expostos ao ar, as formas reduzidas de ferro e manganês (Fe 2+ e Mn 2+ respectivamente ) vagarosamente se transformam na forma insolúvel (Fe 3+ e Mn 4+ ) e visível pela oxidação, em águas com oxigênio dissolvido, Fe 3+ e Mn 4+ são os únicos estados de oxidação estáveis para o ferro e o manganês, as formas químicas associadas a essas duas espécies são altamente insolúveis. A taxa de oxidação de compostos solúveis de ferro e manganês em águas depende do valor do ph, da alcalinidade, da temperatura, do teor de matéria orgânica, do tipo e concentração do oxidante e do grau de dispersão do oxidante na água. A oxidação do Fe 2+ na ausência de matéria orgânica resulta em velocidades de oxidação extremamente altas, já quando este encontra-se complexado com carbono orgânico dissolvido (Matéria Orgânica) esta velocidade é acentuadamente diminuída, o Fe 2+ complexado por ácidos fúlvicos, pode ser oxidado pelo cloro, desde que haja tempo de contato (>1 h) e uma dosagem de oxidante (cloro) superior aquela requerida estequiometricamente. Para soluções de ferro reduzido contendo ácidos húmicos e fúlvicos, dosagens adicionais de oxidante devem ser aplicadas para satisfazer a demanda competitiva exercida pela matéria orgânica. Haja vista que a cinética das reações de oxidação sofrem influencia de inúmeros fatores de difícil parametrização, a garantia de uma dispersão eficiente do oxidante na massa liquida torna-se fundamental ( algumas dessas reações processam-se em 0,1 s). OXIDAÇÃO DO FERRO PELO CLORO Na tabela 1, são apresentados, resumidamente, dados relativos à estequiometria das reações de oxidação de ferro e manganês quando o cloro é utilizado como oxidante. TABELA 1: Quantidade de oxidante necessária, estequiometricamente, para oxidação de 1 mg de ferro ou de manganês. (fonte DI BERNARDO, 1993 adaptado) Relação estequiométrica (mg de oxidante Tipo de reação para remover 1 mg de ferro ou de manganês) Ferro Manganês Oxidação de ferro (II) ou manganês (II) com cloro Cloro requerido (Cl 2 ) Íons hidrogênio produzidos (H + ) Alcalinidade consumida ( CaCO 3 ) 0,64 0,05 2,70 1,29 0,07 3,64 O cloro foi o agente oxidante empregado no processo, na forma de hipoclorito de cálcio (Ca(OCl) 2 ). Quando o cloro é adicionado em água, tem-se: ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Cl 2 + H 2 O HOCl + H + + Cl - equação (1) O ácido hipocloroso dissocia se instantaneamente em função do ph do meio: HOCl H + + OCl - equação (2) A reação de oxidação do ferro pelo cloro pode ser expressa : 2Fe HOCl + 3H 2 O 2Fe(OH) 3 + 3Cl - + 3H + equação (3) O Fe(OH) 3 por sua vez se hidrolisa segundo : Fe(OH) 3 Fe OH - Fe 2 O 3. n. H 2 O equação (4) COAGULAÇÃO DI BERNARDO (1993) explicita que a coagulação, geralmente realizada por sais de alumínio e ferro, resulta de dois fenômenos, o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas dotadas de cargas positivas, que depende da concentração do coagulante e ph final da mistura. O segundo fenômeno, fundamentalmente físico, consiste no mecanismo de transporte das espécies hidrolisadas para que realizem contato com as partículas presentes na água. O processo é muito rápido variando desde décimos de segundo a cerca de 100 segundos, dependendo das demais características da massa de água ( ph, temperatura, quantidade de impurezas, etc. ). No caso do processo de coagulação por adsorção-neutralização, as substâncias húmicas preferencialmente são removidas através de sua precipitação com espécies hidrolisada de ferro. O mecanismo de adsorçãoneutralização de cargas é muito importante quando o tratamento é realizado através da filtração direta, pois não há necessidade da produção de flocos para posterior sedimentação, mas, de partículas desestabilizadas que serão retidas no meio filtrante. Os hidróxidos gelatinosos de Fe(OH) 3 por serem formados de partículas muito pequenas, possuem superfícies específicas muito grandes, daí o fenômeno de adsorção ser muito forte e contribuir para o arraste de grande quantidade de impurezas. A carga elétrica das suas superfícies depende do ph do meio. O coagulante utilizado foi cloreto férrico, para elevação da eficiência do processo o ph foi mantido na faixa de 7,5 a 8,5, com aplicação de hidróxido de sódio em solução (na pré-alcalinização e correção do ph), aplicado com dosadora eletromagnética, a alcalinidade da água bruta foi acompanhada e igualmente corrigida, de modo a atender a relação de 2,5 a 3,0 mg/l CaCO 3 para cada mg/l de ferro a ser removido, polímero não iônico FLOERGER ( SNF ) na dosagem de polímero 0,01 mg / l, o tratamento vem sendo feito com dosagem de cloreto férrico de 8 a 15 mg / l. MISTURA RÁPIDA Segundo AMIRTHARAJAH (1989) as reações que precedem a coagulação pela adsorção-desestabilização são extremamente rápidas e ocorrem em frações de segundo. Para esse mecanismo de coagulação, AMIRTHARAJAH considera imperativo que o coagulante seja disperso no fluxo de água bruta tão rapidamente quanto possível, pois os produtos de hidrolise, que causam a desestabilização dos colóides, se desenvolvem num tempo de 0,01 a 1 s. De modo a elevar a eficiência do processo de oxidação e coagulação por neutralização de cargas a aplicação do oxidante (hipoclorito de cálcio) e do coagulante (cloreto férrico) foram feitas em condições satisfatórias de homogeneidade e mistura com a massa liquida, obtida com a elevação do gradiente de velocidade no ponto de aplicação mediante a Utilização de um filtro tipo vórtice, que utiliza a força centrifuga para fazer a separação sólido - líquido, alem de dispor de uma tela em 100 micra que faz a filtração grosseira. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 FIGURA 1 misturador hidráulico tipo filtro Vu Flow Fluxo Ventosa Misturador Ponto para amostragem Descarga UNIDADE DE FILTRAÇÃO DIRETA DESCENDENTE A retenção de partículas em meio poroso efetua-se por intermédio da conjunção dos mecanismos de transporte e aderência. A prevalência de um ou outro mecanismo é função das características do afluente e dos grãos que constituem o meio poroso. As menores dimensões dos poros de um leito de areia são da ordem de 500 μm, enquanto os flocos apresentam dimensões de 0,1 a 30 μm. Para as partículas de menores dimensões, que não são retidas pela ação de coar do leito filtrante, a sedimentação, a interceptação e a difusão constituem os principais mecanismos de transporte responsáveis pela eficiência da filtração. Nesta vertente, o emprego de auxiliares de coagulação, neste trabalho como já fora relatado utilizamos um polímero não iônico, algumas literaturas referem-se a utilização de polímeros catiônicos, concorre para a formação de flocos mais resistentes ao cisalhamento, possibilitando a sedimentação de partículas nos canalículos formados nos interstícios do leito filtrante e carreiras de filtração mais longas, decorrente da maior penetração de flocos nas camadas inferiores do leito filtrante. Aliado aos mecanismos de transporte, a remoção das partículas suspensas efetua-se também por aderência aos grãos do leito filtrante ou às próprias partículas desestabilizadas anteriormente depositadas sobre os mesmos. Uma vez que as forças de repulsão são minimizadas pela ação do coagulante, a colisão das partículas desestabilizadas com os grãos recobertos ou não pode permitir a prevalência das forças de atração de Van der Waals. Estas unidades tem apresentado eficiência na remoção de ferro da ordem de 80 a 90 % da concentração afluente. A unidade de filtração utilizada foi o filtro básico de pressão utilizado em sistemas de irrigação, com diâmetros variáveis de 16 a 25 polegadas, em aço carbono com pintura ante corrosiva, dotada de sistema de drenos de fundo tipo bocais difusores. O leito filtrante destas unidades composto de areia com tamanho efetivo 0,9 mm e coeficiente de uniformidade < 1,6, a espessura do leito variou de 0,8 a 1,10 m dependendo do tamanho do filtro. A taxa de filtração das unidades foi limitada em 400 m³. m² / dia, de modo a garantir o tempo de retenção necessário para a oxidação e coagulação, no próprio leito, do ferro contido na água bruta. A retrolavegem da unidade de filtração se faz a contra corrente, com água tratada, algumas unidades foram automatizadas com válvulas hidráulicas que através de um programador horário, atendendo a um programa pré definido executa a operação de retrolavagem sem nenhuma intervenção. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 FIGURA 2 Filtro descendente em aço carbono Filtro Afluente, água coagulada Misturador hidráulico Programador automático de descargas Efluente, água filtrada COLUNA DE CARVÃO ATIVADO GRANULADO A utilização do CAG no processo de tratamento de água pode se dar na forma de sistemas pós filtrosadsorvedores ou como filtros-adsorvedores. No primeiro caso, o processo unitário de adsorção está localizado à jusante da unidade de filtração, ambas ocorrendo de forma independente. No segundo caso, ambos os processos de filtração e adsorção ocorrem em uma mesma unidade, neste trabalho utilizamos um sistema instalando um pré-filtro descendente de areia, em seguida uma unidade com leito misto de areia e CAG, caracterizando o segundo caso. FIGURA 3 - Configuração dos métodos de utilização do CAG no processo de tratamento de água GRAESE et al. (1987). SEDIMENTAÇÃO FILTRAÇÃO ADSORÇÃO Sistema pós-filtro adsorvedor SEDIMENTAÇÃO FILTRAÇÃO/ADSORÇÃO ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Sistema filtros adsorvedores Em uma carcaça similar a unidade de filtração descendente, foi montado um leito misto de areia e CAG, visando o polimento do efluente do filtro de areia e remoção do hidróxido férrico particulado e remanescente do processo anterior, dos residuais de cloro, dos THM s por ventura formados pela reação do cloro com a matéria orgânica combinada ao ferro, que é igualmente oxidada no processo. As características básicas do leito desta unidade é : areia com diâmetro efetivo 0,35 mm coeficiente de uniformidade 1,4 a 1,6. O CAG utilizado, a base de casca de coco, com diâmetro efetivo de 0,80mm, Coeficiente de uniformidade < 1,6, n.º, ph 8-10, densidade 460 a 550 kg/m³. Como esta unidade trabalha em serie com a filtração direta a taxa mantida foi de 400 m³. m² / dia. RESULTADOS Como o trabalho apresentado foi desenvolvido em varias unidades e a intenção é a demonstração da metodologia, apresentamos os resultados obtidos com o tratamento de dois tipos distintos de água, uma contendo ferro solúvel e alcalinidade natural e outra com acentuado teor de ferro contudo com baixa alcalinidade natural, foram classificadas com Água A e B, respectivamente. TABELA 2 : Características das águas naturais empregadas no trabalho Parâmetro Água A B Ph 6,6 5,4 Alcalinidade ( mg/l CaCO3) 48,5 13 Cor aparente (uc) Turbidez (ut) 3,8 2,4 Ferro II (mg/l Fe) 4,3 3,5 Ferro III (mg/l Fe) 0,5 0,3 Temperatura (ºC) 23,1 22,5 A UTA (unidade de tratamento de água), utilizadas para o tratamento das águas tipo A e B, operam com vazão de 3,5 m³/h e 2,8 m³/h, respectivamente. Em que pese, o ph e alcalinidade da água tipo A apresentarem valores característicos que poderiam dispensar o sistema de correção, mantendo a padronização dos projetos das UTA, ambas as unidades dispõem de sistema completo de aplicação e dosagem de : Alcalinizante, coagulante, polímero e oxidante. TABELA 3: Dosagem média de coagulante e polímero Água ph de coagulação Dosagem (mg/l) Cloreto férrico Polimero Tipo A 8,3 ± 0,3 12± 2,0 0,01±0,002 Tipo B 8,2 ± 0,1 10± 2,0 0,01±0,003 TABELA 4: Resultados com remoção de cor, turbidez e ferro total Água ph de coagulação Remoção de cor Remoção de turbidez Remoção de ferro aparente % % total % Tipo A 8,3 ± 0, Tipo B 8,2 ± 0, CONCLUSÕES As unidades em operação tem mostrado a eficiência do processo de remoção de ferro por filtração direta descendente. O fato de adotarmos nestes projetos o cloro como oxidante não impede a aplicação de outros como o peróxido de hidrogênio ou permanganato de potássio, que contaria a favor a ausência de subprodutos ( THM s ) gerados no processo de oxidação, como ocorre com o cloro. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Os testes até então realizados demonstram a eficiência do leito misto areia e CAG para remoção dos compostos indesejáveis gerados pela oxidação com o cloro, sendo necessário o acompanhamento do processo para identificar o ponto de saturação do CAG, os residuais de ferro ( na forma de hidróxido férrico ) são removidos com eficiência da ordem de 80 a 90 % da concentração afluente. A simplicidade de operação os baixos custos de instalação contam sem duvida a favor deste procedimento se considerarmos que os produtos a base de orto-polifosfatos têm por finalidade a complexação do ferro presente, evitando assim que o mesmo confira coloração à água sem contudo remover efetivamente o ferro das águas. Um aspecto a ser considerado é que a aplicação destes produtos indiscriminadamente, pode trazer alguns danos ecológicos, haja vista que o fosfato é macronutriente capaz de causar por exemplo floração de algas e eutrofização de corpos receptores. Convém registrar que a OMS embora não estabeleça limite para fosfato em água tratada por não ser tóxico, entretanto, limita a concentração de ferro em 2,0 mg / l. Portanto a utilização de orto-polifosfatos deve ser feita com cuidados especiais, incluindo medições de ferro e fosfato residual, controle sistemático da dosagem aplicada, técnicas estas de custos relativamente elevado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. TAMBO, N. & FRANÇOIS, R.J. - Mixing, Breakup and Floc Characteristics in: AWWA - Mixing in Coagulation and Floculation, Ed.AWWA Research Foundation, p , USA, DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de tratamento de Água - V. I e II. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, Brasil, DI BERNARDO, L. Comparação da Eficiência da Coagulação com Sulfato de Alumínio e com Cloreto Férrico - Estudo de Caso - VI SIMPÓSIO LUSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Anais. Florianópolis, VIANNA, Marcos Rocha. Hidráulica aplicada às Estações de Tratamento de Água. Belo Horizonte : Instituto de Engenharia Aplicada, AZEVEDO NETTO, J.M., Técnicas de abastecimento e tratamento de água, Volume II. São Paulo CETESB / ASCETESB, RICHTER, Carlos A. & AZEVEDO NETTO, J.M, Tratamento de água tecnologia atualizada, São Paulo Editora EDGARD BLUCHER LTDA, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7