ÁGUA Classificações Tratamentos Análises

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1 Disciplina: Águas e Efluentes Industriais Prof.: Sávio Pereira ÁGUA Classificações Tratamentos Análises

2 FUNDAMENTOS, CICLO HIDROLÓGICO E IMPUREZAS Ocorrência da água na natureza estados sólido, líquido e gasoso Ciclo hidrológico movimentação da água na terra - incorporação de impurezas. Impurezas - dão características das águas naturais ou servidas. Características - avaliadas e medidas através de parâmetros analíticos como: ph, dureza, alcalinidade etc.

3 PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS DA ÁGUA São parâmetros que informam a qualidade da água. Principais parâmetros: ph Dureza Acidez Alcalinidade Sólidos Cloretos Condutividade elétrica Elementos e compostos especiais Gases dissolvidos

4 PADRÕES DE POTABILIDADE DA ÁGUA Padrões de potabilidade limites de tolerância das substâncias presentes na água de modo a garantir-lhe as características de água potável. Padrões: físicos, químicos, bacteriológicos e organolépticos Portaria 518/2004 Ministério da Saúde Dispositivo legal para potabilidade da água.

5 Tratamentos da água - FUNDAMENTOS Seqüência de operações conjuntas para melhorar as características físicas, químicas, organolépticas e bacteriológicas da água a fim de torná-la adequada ao consumo humano ou para alguma aplicação industrial. Tratamentos: primários (água potável) ou secundários (água industrial). Esquema genérico de tratamento de água bruta e distribuição uso urbano ou industrial depende da estrutura da ETA e usos específicos

6 Tratamentos da água - FUNDAMENTOS Estação de Tratamento de Água, ETA, comporta os processos de: remoção de substâncias grosseiras flutuantes ou em suspensão - grades, crivos e telas; remoção de substâncias finas em suspensão ou em solução e de gases dissolvidos aeração, sedimentação e filtração; remoção parcial ou total de bactérias e outros microrganismos - desinfecção; correção de odor e sabor - tratamentos químicos e leitos de contato com carvão ativado; correção de dureza e controle da corrosão - tratamentos químicos; remoção ou redução de outras impurezas químicas.

7 Tratamentos da água FUNDAMENTOS ETA convencional com filtros lentos ETA convencional com filtros rápidos

8 Tratamentos da água - FUNDAMENTOS Classificação das águas antes, durante ou depois dos tratamentos: Água bruta água que ocorre no manancial, disponível e com impurezas ; Água dura água que possui alta taxa de sais de cálcio e magnésio dissolvidos; Água mole água com baixa taxa de sais de cálcio e magnésio dissolvidos; Água clarificada água que já passou pelo processo de clarificação; Água abrandada água de dureza baixa, geralmente depois do abrandamento; Água filtrada água límpida que passou essencialmente por uma filtração; Água desmineralizada água com baixíssimas quantidades de sais dissolvidos; Etc.

9 Tratamentos da água Fluxograma simplificado Operações unitárias envolvidas: Captação Gradeamento Aeração Clarificação Filtração Desinfecção Adição de Produtos Químicos Abrandamento Desmineralização Desaeração

10 Tratamentos da água - CAPTAÇÃO Captação de água bruta rios como manancial caixa em declive

11 Tratamentos da água - CAPTAÇÃO Captação de água bruta tubos perfurados em leitos de pedras poço subterrâneo

12 Tratamentos da água - GRADEAMENTO Uso de grades ou telas para evitar acesso de impurezas grosseiras em suspensão. Essencial para proteção de equipamentos; Minimizar ou eliminar riscos de incorporação de materiais estranhos na água a ser tratada; Processo preliminar de tratamento; Muito comum utilizar uma pré-cloração nas tubulações de captação. Exemplo de captação com grade e crivo

13 Tratamentos da água - AERAÇÃO Remoção - gases dissolvidos, odor e sabor e ativação dos processos de oxidação da matéria orgânica; Pequenas instalações - entrada do reservatório por ventilação natural; Industrialmente aeradores simples torre e cascata - aeradores por borbulhamento instalação de tubos perfurados, placas ou tubos porosos difusores. Processo preliminar de tratamento. Aerador de bandejas

14 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Etapa mais importante do tratamento primário da água. Finalidade - Remoção de materiais finamente divididos presentes e coloidais. Procedimento convencional - análises realizadas: turbidez, cor e ph (entrada e saída da água do equipamento). Turbidimetro digital portatil Colorímetro portatil Potenciômetro de ph

15 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Envolve três etapas - coagulação, floculação e sedimentação (decantação). Coagulação - adição de um coagulante processador da neutralização das cargas negativas suspensas na água. Coagulantes ou floculantes mais utilizados: sulfato de alumínio, sulfato férrico, sulfato ferroso; aluminato de sódio, cloreto férrico; policloreto de alumínio e polímeros de natureza catiônica, dentre outros. Melhor coagulante - ensaios de laboratório (Jar test ou Teste de jarro)

16 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Equipamentos para os ensaios de laboratório (Jar test ou Teste de jarro)

17 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO O equipamento de JarTest pode realizar até seis testes ao mesmo tempo, o que possibilita uma comparação imediata e avaliação da melhor dosagem de coagulantes e floculantes a ser utilizado no processo.

18 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Coagulantes naturais presentes na água coagulação ocorre por ajuste de ph. Faixa ideal do coagulante - alcalinizantes para elevar esse ph (CaO, Barrilha ou outro) - preferência aos mais fáceis de manipular. Adição de materiais inorgânicos promotores de turbidez (bentonita, caulim, silicatos ou outro) algumas vezes necessários.

19 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Floculação - após a neutralização das cargas dos sólidos dissolvidos os flocos formados podem conter cargas residuais positivas e negativas. Esquema simplificado da coagulação e floculação

20 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Reações dos agentes coagulantes com produtos alcalinos Reações com alcalinidade natural Al2(SO4)3 18H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 6CO2 + 18H2O 2FeSO4 7H2O + 3Ca(HCO3)2 + 2O2 2Fe(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 6CO2 + 14H2O 2FeSO4 7H2O + 3Ca(HCO3)2 + Cl2 2Fe(OH)3(s) + 2CaSO4(s) + CaCl2 + 6CO2 + 7H2O Reações com alcalinidade adicionada Al2(SO4)3 18H2O + 3Na2CO3 + 3H2O 2Al(OH)3(s) + 3Na2SO4 + 3CO2 + 18H2O Al2(SO4)3 18H2O + 3Ca(OH)2 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 18H2O Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3(s) + 3CaSO4(s) Fe2(SO4)3 + 3Na2CO3 + 3H2O 2Al(OH)3(s) + 3Na2SO4 + 3CO2

21 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Corte esquemático de um floculador mecanizado

22 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Obtenção de flocos maiores e sedimentação mais rápida - adição de polímeros iônicos mais comum em efluentes industriais. Floculante mais empregado - sulfato de alumínio - restrito à faixa de ph entre 5,0 e 6,0 se necessário ajuste com cal ou aluminato de sódio formação dos flocos de hidróxido de alumínio. Sedimentação ou decantação - etapa complementar do processo de clarificação. Uso da gravidade - introdução de grades ou chicanas ao fluxo da água - impedir ascensão dos flocos e dificultar filtração

23 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Decantador convencional de fluxo horizontal

24 Tratamentos da água - CLARIFICAÇÃO Corte esquemático de um decantador de placas paralelas Um detalhe da calha coletora de água decantada

25 Tratamentos da água - FILTRAÇÃO Filtração - processo físico em que a água atravessa um leito filtrante de modo que partículas em suspensão sejam retidas produzindo um efluente mais limpo. É uma etapa complementar da clarificação (tipo polimento) - retenção dos flocos leves provenientes da clarificação. Processos: filtração lenta e filtração rápida - opção depende da qualidade da água bruta e do volume a ser tratado e implica em profundas diferenças no projeto da ETA.

26 Tratamentos da água - FILTRAÇÃO Realizada em filtros à gravidade ou pressurizados. Montagem tradicional convencional de um filtro industrial - camadas justapostas de cascalho grosso, cascalho fino, cascalhinho, areia grossa, areia fina, carvão ativado (pó ou pedaços). Atualmente leito filtrante está substituído pelas crepinas - filtros de gravidade, para grandes volumes de água ou mesmo alguns tipos industriais.

27 Tratamentos da água - FILTRAÇÃO Uso de crepinas para filtração

28 Tratamentos da água - FILTRAÇÃO Filtração lenta é um pouco estático em suas alternativas de projeto. Esquema vetical de um filtro lento

29 Tratamentos da água - FILTRAÇÃO Filtração rápida é bastante dinâmico em termos de alternativas de desenhos, podendo ser projetado com materiais diferentes no leito filtrante, dispositivos para aumento da capacidade de filtração, bem como fluxos por gravidade ou forçados, ascensionais ou descendentes. Filtros de Carvão Ativado

30 Tratamentos da água - DESINFECÇÃO Objetivo principal microbiológicos. é resguardar a água de contaminantes Agentes desinfetantes: Cloro gasoso (principal e mais usado em indústrias) Peróxido de hidrogênio Dióxido de cloro Hipoclorito de sódio ou de cálcio Hipocal (cal clorada) etc Água num reservatório da ETA - teor alto de cloro para garantir a potabilidade em sua distribuição. Cloração - método mais econômico e usual para a desinfecção da água em sistemas públicos.

31 Tratamentos da água - DESINFECÇÃO Esquema típico de um clorador com cloro gasoso

32 Tratamentos da água - DESINFECÇÃO Conveniente realizar a desinfecção em ph relativamente baixo formação de desinfetantes mais ativos.

33 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS Os tratamentos utilizados em águas industriais são considerados secundários. São complementares aos primários e podem ser internos ou externos. Os externos são aplicados à água antes da utilização; os internos são aplicados continuamente durante o ciclo de utilização dessa água. Providências para se atingir às especificações desejadas analisar a água - usar resultados e finalidade do uso seleção dos tratamentos de melhor custo-benefício.

34 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS A água para a indústria farmacêutica, alimentícia, de bebidas, etc. tem exigências diferentes para a elaboração do seu produto final. Várias indústrias já tratam e reutilizam água residual de processo. Esterilização com lâmpadas ultravioletas e tratamento com ozônio, por exemplo, já são tecnologias alternativas para desinfecção da água, ao invés da cloração normalmente utilizada. Para consumo industrial deve ser analisada segundo a finalidade: água de resfriamento e/ou refrigeração, água para produção de vapor ou água de processo.

35 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS ÁGUAS DE RESFRIAMENTO E REFRIGERAÇÃO É aquela que é aplicada no campo industrial como líquido refrigerante, na absorção de calor de um corpo quente. A presença de sais de cálcio e magnésio e de microrganismos na água de refrigeração deve ser evitada. A formação de depósitos de silicatos e carbonatos de cálcio e magnésio no interior de equipamentos e tubulações provoca a redução da eficiência da troca de calor.

36 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS ÁGUAS DE RESFRIAMENTO E REFRIGERAÇÃO Além da corrosão das tubulações causada pela presença de gases dissolvidos e do tratamento inadequado da água, também o crescimento de algas nas linhas afeta a taxa de transferência de calor e, portanto, a economia do processo. Trocadores de calor

37 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS ÁGUAS DE PRODUÇÃO DE VAPOR No caso de água para produção de vapor, à medida que se evapora dois fenômenos ocorrem. A concentração de sólidos dissolvidos aumenta até que atinjam sua solubilidade, quando precipitam, formando incrustações no interior das caldeiras e tubulações. Essas incrustações acarretarão queda de pressão, diminuição na taxa de transferência de calor e menor vazão de vapor; em certos casos, essas incrustações se desprendem e a variação repentina de gradiente térmico entre a superfície da incrustação e a superfície metálica provoca a explosão da caldeira. ÁGUA E EFLUENTES INDUSTRIAIS - DEZEMBRO, 2009

38 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS ÁGUAS DE PRODUÇÃO DE VAPOR Os sólidos que, porventura, não formarem incrustações serão lançados na fase de vapor, mantendo sua má qualidade. O maior problema nesse caso é a presença de sílica nas caldeiras com pressões superiores a 27 atmosferas, pois então ela é lançada na fase de vapor, podendo causar deformações mecânicas e, até mesmo, a explosão do equipamento. Esquema de caldeiras aquatubulares

39 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS ÁGUAS DE PROCESSO Chama-se água de processo a que participa diretamente das reações químicas por um mecanismo de hidrólise ou de dissolução. Seu tratamento compreende a remoção da acidez, da alcalinidade, da dureza, do ferro e de outros minerais, conforme as exigências da aplicação.

40 Tratamentos da água ÁGUAS INDUSTRIAIS TECNOLOGIAS INDUSTRIAIS IMPORTANTES Atualmente, qualquer tipo de água pode ser tratada. Seja qual for o tratamento requerido, deionização, destilação, osmose reversa, etc., todos deverão prever controles de processo, como vazão, pressão de operação e volume/dia de consumo. Entre essas técnicas, destacam-se o abrandamento por troca iônica ou uso de membranas de filtração.

41 Tratamentos da água ADIÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS Adição de produtos químicos biocidas, inibidores de corrosão, passivadores, quelantes etc. Trocador de calor sistema fechado de resfriamento Torres de resfriamento sistema aberto de resfriamento

42 Tratamentos da água - ABRANDAMENTO ABRANDAMENTO POR PRECIPITAÇÃO É basicamente a remoção parcial de impurezas inorgânicas, principalmente bicarbonatos presentes nas formas cálcica e magnesiana (íons causadores de dureza) através de precipitação. Em outras palavras o abrandamento consiste na redução da agressividade da água. Para isso faz-se o uso de produtos químicos dos quais os mais comuns são a cal e a barrilha (redução da dureza).

43 Tratamentos da água - ABRANDAMENTO ABRANDAMENTO POR PRECIPITAÇÃO O abrandamento consiste em dois mecanismos: precipitação e filtração.

44 Tratamentos da água - ABRANDAMENTO Classificação da água em função da dureza

45 Tratamentos da água - ABRANDAMENTO Comentários importantes sobre o abrandamento por precipitação: Os bicarbonatos de cálcio e de magnésio são considerados impurezas primárias e causadores de dureza temporária. O carbonato de magnésio e sulfato de magnésio são impurezas secundárias e causadores de dureza permanente. O abrandamento é complementado pela filtração para remoção das substâncias insolúveis geradas. Os processos de abrandamento podem ser a frio ou a quente. O primeiro consegue reduzir a dureza da água para níveis de 80 ppm (em CaCO3).

46 Tratamentos da água - ABRANDAMENTO Comentários importantes sobre o abrandamento por precipitação: O abrandamento não é um tratamento definitivo da água, apenas torna-a menos agressiva na sua utilização. A sílica (SiO2) causadora da turvação ou turbidez pode ser removida parcialmente por abrandamento com cal em combinação com óxido de magnésio ou com um sal de magnésio em processo conduzido a quente. Os processos de abrandamento a quente são empregados exclusivamente, para tratamento externo de água de caldeira e os valores de ph para a água tratada obtida situam-se na faixa de 9,5 a 11,0.

47 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO DESMINERALIZAÇÃO OU DEIONIZAÇÃO Apresenta duas variantes - a troca iônica e a osmose reversa. Troca iônica com resinas: É um processo bastante eficiente de tratamento e purificação das águas naturais. Pode ser aplicado a água para uso urbano, laboratorial ou industrial, de acordo com a necessidade.

48 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Troca iônica com resinas: Compreende o mecanismo de interação resina/água. Tratamento industrialmente revolucionário - permite tratar grandes volumes de água, principalmente para uso em caldeiras, utilizando-se poucos recursos. Se conduzido adequadamente, as resinas têm uma vida útil longa e podem ser regeneradas após cada ciclo de operação. As resinas utilizadas são polímeros orgânicos de natureza catiônica ou aniônica que servirão de leito para a água a ser tratada. Esse processo pode utilizar leitos separados ou leitos mistos

49 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Troca iônica com resinas: Este processo baseia-se no emprego de resinas sintéticas de troca iônica. As resinas seqüestram os sais dissolvidos na água por meio de uma reação química, acumulando-se dentro de si mesma. Por este motivo, periodicamente, as resinas precisam ser regeneradas com ácido e soda cáustica (reação química reversa) para remover os sais incorporados, permitindo o emprego das resinas em um novo ciclo de produção, e assim sucessivamente por anos.

50 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Troca iônica com resinas: As resinas de troca iônica são produtos sintéticos, que colocados na água, poderão liberar íons sódio ou hidrogênio (resinas catiônicas) ou hidróxidos (resinas aniônicas) e captar desta mesma água, respectivamente, cátions e ânions, responsáveis por seu teor de sólidos dissolvidos, indesejáveis a muitos processos industriais. As resinas de troca iônica sintéticas são constituídas, na sua maioria, de copolímeros do estireno, com divinil benzeno (D.V.B.), na forma de partículas esféricas de diâmetro 300 a μm.

51 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Troca iônica com resinas: A estrutura tridimensional destas pequenas esferas varia com a quantidade de D.V.B. utilizada para a copolimerização. Pequena quantidade de D.V.B. dará uma estrutura tipo gel ou gelular, com baixa porosidade, e elevada quantidade, uma estrutura macro-reticular com elevada porosidade. Quanto à funcionalidade, as resinas podem ser classificadas em: Catiônica fortemente ácida, Catiônica fracamente ácida, Aniônica fortemente básica e Aniônica fracamente básica.

52 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Troca iônica com resinas:

53 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Osmose reversa: Nesse processo empregam-se membranas sintéticas porosas com tamanho de poros tão pequenos que filtram os sais dissolvidos na água. Para que a água passe pelas membranas, é necessário pressurizar a água com pressões maiores de 10 kgf/cm2. Os fabricantes de membrana se esforçam com sucesso para desenvolver novos produtos/membranas que filtrem mais sais com pressões menores, ou seja, mais eficientes.

54 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Osmose reversa: Membranas deste tipo são tecidos que permitem a difusão preferencial da água e retêm sais minerais nela dissolvidos, assim como colóides e bactérias. A passagem da água pura, através da membrana semipermeável, provoca um aumento no volume da água salinizada, com a formação de uma coluna de água. Este efeito físico é decorrente da pressão exercida sobre a membrana, no lado da água salinizada.

55 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Na osmose reversa, o fluxo de água no sistema é invertido. A água salina é pressurizada além da pressão osmótica natural e bombeada através da membrana semipermeável. A membrana comporta-se como uma peneira molecular, rejeitando seletivamente quase todas as moléculas dissolvidas e permitindo somente a passagem de água pura. A osmose reversa tem a capacidade de separar a água de seus contaminantes, tais como: sólidos dissolvidos, colóides, sólidos suspensos, bactérias, vírus e matéria orgânica.

56 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Osmose reversa explicação do fenômeno

57 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Osmose reversa cartucho

58 Tratamentos da água - DESMINERALIZAÇÃO Osmose reversa equipamento

59 Tratamentos da água - DESAERAÇÃO DESAERAÇÃO É a remoção de gases indesejáveis dissolvidos. É um processo específico para águas de caldeiras devido ao fato de que os principais gases contaminantes oxigênio e dióxido de carbono serem altamente prejudiciais para as tubulações no que se refere à corrosão. A desaeração pode ser feita por dois processos: mecânico e químico.

60 Tratamentos da água - DESAERAÇÃO DESAERAÇÃO No processo mecânico a água é aquecida em recipientes adequados denominados desaeradores com a finalidade de eliminar gases por arraste com vapor gerado. Esse aquecimento já serve como prévio para geração de vapor nas caldeiras. O processo químico consiste na adição de substâncias neutralizadoras ou seqüestratntes.

61 Tratamentos da água - DESAERAÇÃO DESAERAÇÃO As principais substâncias neutralizadoras são hidróxido de sódio, outros alcalinizantes e fosfatos. Para seqüestradores de gases temos Na2SO3 ou N2H4 (hidrazina) mais cara.

62 Legislação aplicada á água A legislação brasileira sobre água e recursos hídricos é muito ampla. Para estudo desta tecnologia pelo menos dois dispositivos: a Portaria 518/2004 e a Resolução 357/2005. Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde - ANVISA (Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá outras providências).

63 Legislação aplicada á água Resolução 357/2005 do Conselho Nacional do Meio Ambiente CONAMA (Dispõe sobre a classificação de corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes e dá outras providências). Estes dispositivos devem ser impressos e consultados regularmente por pessoas que lidam com a água e seus usos diversos, garantindo assim um padrão de segurança para os usuários e equipamentos.

64 Nova pausa! Prepare-se para a próxima aula! Sugestões: Leitura da Resolução 357/2005 do CONAMA Leitura de materiais didáticos que envolvam tratamentos de efluentes, principalmente de indústrias petroquímicas. Contato: professor.savio@yahoo.com.br