XXVI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERIA SANITÁRIA Y AMBIENTAL

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1 XXVI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERIA SANITÁRIA Y AMBIENTAL de Noviembre de 1998, Lima - Peru, CLARIFICAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE FILTROS RÁPIDOS E CARACTERIZAÇÃO DO SOBRENADANTE E LODO Paulo Sergio Scalize Luiz Di Bernardo

2 CLARIFICAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM DE FILTROS RÁPIDOS E CARACTERIZAÇÃO DO SOBRENADANTE E LODO Paulo Sergio Scalize : Graduado em Ciências Biológicas Mod. Médica pela Fac. Barão de Mauá - Rib. Preto. Doutorando em Hidráulica e Saneamento na Escola de Engenharia de São Carlos - USP Luiz Di Bernardo 1 : Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento Escola de Engenharia de São Carlos - USP (1) Av. Dr. Carlos Botelho, # ; CEP : ; São Carlos - Brasil bernardo@sc.usp.br RESUMO No presente trabalho são apresentados e discutidos os resultados obtidos em ensaios de clarificação, utilizando-se coluna de sedimentação, de água proveniente da lavagem dos filtros rápidos da Estação de Tratamento de Água de São Carlos, a qual trata água proveniente de manancial de superfície e utiliza sulfato de alumínio como coagulante e amido de batata como auxiliar de floculação. Os ensaios foram realizados sem e com utilização de polímeros aniônico, catiônico e não iônico em diferentes dosagens, tendo sido constatada melhor eficiência quando foi utilizado o polímero aniônico. Os autores desejam expressar seus agradecimentos ao SAAE de São Carlos e à FAPESP pela concessão de auxílio à pesquisa (processo n o 95/9726-4). Palavras Chave : Resíduos líquidos de ETA, Água de lavagem de filtro, Clarificação. INTRODUÇÃO Em certas regiões já está sendo nítida a escassez de mananciais destinados ao consumo público, devido a crescente demanda e ao alto grau de poluição. Desta forma, torna-se cada vez mais importante o estudo de técnicas de recuperação para reaproveitamento dos resíduos líquidos freqüentemente lançados nos cursos de água, em especial aqueles provenientes de Estações de Tratamento de Água - ETAs.. Várias são as fontes de resíduos líquidos em uma ETA, destacando-se o proveniente da lavagem dos filtros, o qual é normalmente lançado no curso de água mais próximo, representando, como no caso da ETA-São Carlos, cerca de 1,5% do volume total da água tratada. O estudo das características das águas a serem reutilizadas ou dispostas é de suma importância, visando obtê-las com características conhecidas e aceitáveis. Como parte dos parâmetros utilizados na caracterização destas águas pode-se empregar ensaios de clarificação em coluna de sedimentação utilizando polímero sintético como condicionante.

3 OBJETIVO O presente trabalho tem como objetivo estudar a sedimentabilidade do resíduo proveniente da lavagem de filtros rápidos de ETAs que utilizam sulfato de alumínio como coagulante primário, com e sem o uso de polímeros sintéticos. MATERIAIS E MÉTODOS Durante a lavagem de um filtro da ETA São Carlos, o resíduo líquido produzido foi continuamente coletado com auxílio de uma bomba, obtendo-se a amostra composta, a qual foi armazenada em caixa de polipropileno de cor preta e de capacidade para 500L. A amostra foi caracterizada segundo os parâmetros mostrados na Tabela 1 e, posteriormente, submetida a ensaios em coluna de sedimentação, utilizando-se polímeros aniônico, catiônico e não iônico, em diferentes dosagens (ver Tabela 2). A coluna utilizada na realização dos ensaios de clarificação por sedimentação da amostra, foi construída em tubo de acrílico com 91,4 mm de diâmetro e 1,4 m de altura, apresentando em sua extensão três pontos de coletas, além de um ponto para injeção de polímero, um registro de descarga lateral e um dispositivo para descarga de fundo, cujo esquema e foto são mostrados na Figura 1. O pontos de coletas 1,2 e 3 localizavam-se, respectivamente, a 66,6, 35,1 e 2,4 cm acima da base da coluna. O ponto para injeção de polímero estava localizado a 68,6 cm acima da base da coluna. Este dispositivo apresentava um orifício onde era injetado o polímero com auxílio de uma seringa provida de agulha. A coluna apresentava um registro lateral por meio do qual retirava-se o sobrenadante resultante, localizado 15 cm acima da base da coluna. No interior da coluna tinha-se um agitador constituído de um eixo com seis paletas intercaladas ao longo do mesmo para propiciar mistura completa. O gradiente de velocidade para mistura do polímero na coluna foi obtido utilizando as eq. (1) e (2) DI BERNARDO (1993), com base no tamanho das paletas e no número de rotações por minuto medido através de um tacômetro. P d = 1,46x10-5 C D [(1-Kap)Nr] 3 (hp 1 b 4 p 1 + hp2 b 4 p hp6 b 4 p 6 )γ/2 (1) G P = µ.v (2) em que: P d = Potência total dissipada pelas paletas (N m/s) C D = Coeficiente de arrasto, determinado em função da relação bp/hp. Kap = 0,25. Nr = rotação do rotor (rpm), medido através de tacômetro. hp = largura da paleta (m) = 0,06m bp = altura da paleta (m) = 0,02m

4 G = gradiente de velocidade médio (s -1 ). V = Velocidade µ = Viscosidade da água = 0,894 x 10-3 N s/m 2 γ = peso específico da água (N/m 3 ) Os ensaios em coluna foram realizados utilizando-se 8,5L de amostra composta e, após a adição do polímero, empregava-se, durante 3 minutos, agitação a 230 rpm, proporcionando um gradiente de velocidade da ordem de 100s -1. Após 3 minutos, a agitação era interrompida, e por intermédio de um registro, colocado na parte inferior da coluna, era coletado 1L da amostra, a qual era disposta em Cone Imnhoff. Tanto a amostra restante contida na coluna como no Cone Imnhoff permaneciam em repouso durante 24 minutos e através dos 3 pontos de coletas existentes ao longo da coluna eram coletadas amostras para leitura de turbidez (ut) em intervalos de 4 minutos, sendo paralelamente verificados e anotados volumes de sólidos sedimentáveis no Cone Imnhoff. Após o tempo de cada ensaio, foram obtidos como produtos finais os sobrenadantes e sedimentos, sendo estes submetidos a uma caracterização (ver Tabela 3). Figura 1 - Esquema e foto da coluna utilizada nos ensaios de clarificação por sedimentação de água resultante de lavagem de filtro. A) Esquema da coluna de sedimentação vazia; B) Foto da coluna mostrando a fase de sedimentação, observando-se em seu interior uma parte clarificada e outra com maior concentração de sólidos

5 RESULTADOS Após a coleta de uma amostra do resíduo líquido proveniente da lavagem do filtro da ETA São Carlos, foram pesquisadas suas características (ver Tabela 1) e realizados os ensaios em coluna com emprego dos polímeros em diferentes dosagens (ver Tabela 2). Após o ensaio em coluna foi obtido um sobrenadante e um sedimento. Este sobrenadante foi caracterizado (ver Tabela 3), mostrando que um prévio tratamento com condicionante é eficiente para obter um sobrenadante com características bem superiores em comparação ao obtido sem utilização de condicionante. Nas Figuras 2, 3, 4, 5, 6 e 7 foram plotados os resultados da fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida, em função da velocidade de sedimentação (cm/min), para cada ponto de coleta. Nas figuras 5, 6 e 7 os valores são referentes aos ensaios com utilização dos polímeros aniônico nas dosagens de 4,2, 6,4 e 8,8 mg/l, catiônico com dosagens de 3,5, 5,9 e 8,2 mg/l, e não iônico com dosagens de 5,0, 7,3 e 9,7 mg/l, nos três ponto de coletas. Na Figura 8 são plotados os valores do teor de sólidos sedimentáveis em função do tempo para o ensaio sem uso de polímero e para os demais ensaios com uso de polímeros aniônico, catiônico e não iônico. Na tabela 4 estão os valores de sólidos suspensos totais e resistência específica para os sedimentos obtidos dos ensaios sem e com polímeros em diferentes dosagens. Tabela 1 - Características da Amostra Composta Utilizada nos Ensaios de Clarificação PARÂMETROS AMOSTRA COMPOSTA Turbidez (ut) 154 Cor Aparente (uc) 710 DQO (mg/l) 43 ph 6.9 Alcalinidade (mg/l CaCO 3 ) 17 Dureza (mg/l CaCO 3 ) 15 Condutividade (µs/cm) 37.9 Sólidos Suspensos Totais (mg/l) Fixos (mg/l) Voláteis (mg/l) Sólidos Sedimentáveis (ml/l) 16 Nitrogênio (mg/l N) 5.5 Fosfato (mg/l PO -3 4 ) 0.07 COT (mg/l) Coliformes Totais (NMP/100mL) 2880 E. coli (NMP/100mL) 145 Metais (mg/l): Fe Al Mn Zn Cu Cr, Pb e Ni Obs.: = não detectado

6 Tabela 2 - Dosagens dos Polímeros Utilizados nos Ensaios de Clarificação por Sedimentação POLÍMEROS DOSAGENS (mg/l) Aniônico 4,2 Aniônico 6,4 Aniônico 8,8 Catiônico 3,5 Catiônico 5,9 Catiônico 8,2 Não Iônico 5,0 Não Iônico 7,3 Não Iônico 9,7 Tabela 3 - Características dos Sobrenadantes Obtidos após 24 min de cada Ensaio em Coluna Utilizando Amostra Composta com T 0 = 154uT, Condicionados com Diferentes Polímeros PARÂMETROS sem Polímero Polímero Polímero poli Aniônico Catiônico Não Iônico Dosagens do Polímero (mg/l) Turbidez (ut) Sólidos Suspensos Totais (mg/l) ph COT (mg/l de C) DQO (mg/l) Metais (mg/l): Fe Al Mn Pb Zn Ni Cu Cr - não detectado Tabela 4 - Valores de Sólidos Suspensos Totais e Resistência Específica dos Sedimentos Obtidos após os 24 min de cada Ensaio em Coluna Utilizando Amostra Composta com T 0 = 154uT, Condicionados com Diferentes Polímeros PARÂMETROS sem Polímero Polímero Polímero poli Aniônico Catiônico Não Iônico Dosagens do Polímero (mg/l) Sólidos Suspensos Totais (g/l) 8,7 11,1 12,6 13,3 12,3 11,3 11,0 12,3 13,1 12,3 Resistência Específica (x m/kg) 7,74 3,01 3,62 3,26 6,10 3,07 3,84 4,68 5,14 6,44 Na Figura 9 são apresentados os valores de resistência específica e de sólidos suspensos totais para os sedimentos provenientes dos ensaios sem e com polímeros aniônico, catiônico e não iônico em diferentes dosagens, evidenciando a maior eficiência do polímero aniônico.

7 1,0 Fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 Velocidade de sedimentação (cm/min) sem polímero Figura 2 - Turbidez remanescente (fração da inicial) em função da velocidade de sedimentação no 1,0 ponto 1 com e sem uso de polímeros em diferentes dosagens. Fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 sem polímero 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 Velocidade de sedimentação (cm/min) Figura 3 - Turbidez remanescente (fração da inicial) em função da velocidade de sedimentação no ponto 2 com e sem uso de polímeros em diferentes dosagens.

8 1,0 Fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 Velocidade de sedimentação (cm/min) sem polímero Figura 4 - Turbidez remanescente (fração da inicial) em função da velocidade de sedimentação no 0,16 ponto 3 com e sem uso de polímeros em diferentes dosagens. Fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 Velocidade de sedimentação (cm/min) Figura 5 - Turbidez remanescente (fração da inicial) em função da velocidade de sedimentação no ponto 1 com uso de polímeros em diferentes dosagens.

9 0,18 Fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 Velocidade de sedimentação (cm/min) Figura 6 - Turbidez remanescente (fração da inicial) em função da velocidade de sedimentação no ponto 2 com uso de polímeros em diferentes dosagens. 0,16 Fração da turbidez inicial sedimentando com velocidade menor ou igual a estabelecida 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 Velocidade de sedimentação (cm/min) Figura 7 - Turbidez remanescente (fração da inicial) em função da velocidade de sedimentação no ponto 3 com uso de polímeros em diferentes dosagens.

10 Volume de Sólidos Sedimentáveis (ml/l) Tempo (min) sem polímero Figura 8 - Volume de Sólidos Sedimentáveis em função do tempo para ensaios sem e com polímeros aniônico, catiônico e não iônico para diferentes dosagens. T 0 = 154 ut. 14,0 12,0 SÓLIDOS SUSPENSOS TOTAIS (mg/l) RESISTÊNCIA ESPECÍFICA (x 10^12 m/kg 10,0 8,0 6,0 4,0 SST Resistência Específica 2,0 0,0 sem polímero 4,2 mg/l aniônico 6,4 mg/l aniônico 8,6 mg/l 3,5 mg/l 5,9 mg/l aniônico catiônico catiônico 8,2 mg/l catiônico DIFERENTES POLÍMEROS COM SUAS DOSAGENS 5,0 mg/l não iônico 7,3 mg/l não iônico 9,7 mg/l não iônico Figura 9 - Valores de resistência específica (x m/kg) e sólidos suspensos totais (mg/l) para os sedimentos provenientes dos ensaios sem e com polímeros aniônico, catiônico e não iônico em diferentes dosagens.

11 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO Por meio da caracterização da amostra da água de lavagem de filtros rápidos obteve-se valor de SST da ordem de 170 mg/l o que representa um despejo líquido com concentração de sólidos suspensos totais de 0,017%, sendo o volume de sólidos sedimentáveis de 16 ml/l. Dentre os metais pesquisados, o ferro se apresentou em maior concentração, 19,0 mg/l, seguido do alumínio, 3,8 mg/l e dos outros metais, Mn, Zn, e Cu em concentrações de 0,10, 0,18 e 0,08 mg/l, respectivamente, sendo que Cr, Pb e Ni não foram detectados. A presença de coliformes totais e Escherichia coli na água de lavagem dos filtros mostra a necessidade de cuidados quanto a reutilização ou disposição deste tipo de despejo. Nos gráficos das Figuras 2, 3 e 4 observa-se que nos ensaios sem uso de polímero, os valores de turbidez remanescente apresentaram-se muito superiores, indicando que um condicionamento prévio é aconselhável para obtenção de um despejo que clarifique em menor tempo e que resulte em sobrenadante com menor turbidez. Na análise dos gráficos das Figuras 5, 6 e 7, nas quais são plotados os resultados dos ensaios com uso de polímeros aniônico, catiônico e não iônico, pode-se observar que as frações de turbidez foram menores para o ensaio com utilização de polímero aniônico na dosagem de 4,2 mg/l, nos três pontos de coletas. Pode-se observar no gráfico da Figura 8 que, devido a sedimentação rápida dos sólidos quando foram usados polímeros, o volume de sólidos diminui após a primeira leitura, comportamento similar ao observado durante a compressão, enquanto, sem o uso de polímeros, o volume de sólidos aumentou continuamente durante o período de observação. Nos sobrenadantes obtidos de ensaios com emprego de polímeros, foram detectados ferro e alumínio, sendo que estes se apresentaram em maior quantidade nos sobrenadantes obtidos dos ensaios sem polímero, 79,53% e 93,16%, respectivamente. Este último sobrenadante também apresentou manganês, cobre e zinco. A porcentagem de remoção de ferro, quando foram utilizados polímeros, ficou entre 99,58% e 98,84% e a de alumínio, entre 99,47% e 98,68%; os outros metais pesquisados não foram detectados nestes sobrenadantes. Quanto à DQO dos sobrenadantes, os menores resultaram quando foi utilizado o polímero aniônico, com remoção de 97,44%, contra 48,14% sem o uso de polímero. Observando-se a Figura 9, pode-se concluir que um condicionamento com polímero aniônico é mais eficiente em comparação com polímeros catiônico e não iônico e sem uso de polímeros, pois os sedimentos provenientes dos ensaios com polímero aniônico apresentam os menores valores de resistência específica, da ordem de 3 x m/kg, e a maior concentração de sólidos suspensos totais quando comparados aos demais sedimentos; o sedimento resultante sem o uso de polímero apresentou maior resistência específica e menor concentração de sólidos suspensos totais.

12 Concluiu-se que, para o resíduo líquido estudado, o polímero não iônico foi o que apresentou pior desempenho, sendo o aniônico o mais indicado, levemente superior ao catiônico. Pode-se concluir ainda que, com a utilização de qualquer um dos polímeros, a clarificação do resíduo líquido estudado resultou consideravelmente superior, podendo ser obtido, como mostrado nas Tabelas 3 e 4, sobrenadantes com qualidade melhor e sedimentos com menores valores de resistência específica em relação ao sobrenadante e sedimento obtido do ensaio sem uso de polímero. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DI BERNARDO, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. Rio de Janeiro, Volume 1, 481 p., SCALIZE, P. S. Caracterização e clarificação por sedimentação da água de lavagem de filtros rápidos de estações de tratamento de água que utilizam sulfato de alumínio como coagulante primário. São Carlos: 1997, 210 p. Dissertação de mestrado - Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo - USP, 1997.