I-010 PRÉ OXIDAÇÃO COM CLORO, DIÓXIDO DE CLORO E OZÔNIO, E USO DE CARVÃO ATIVADO PARA REMOÇÃO DE SUBSTÂNCIAS HÚMICAS DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO

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1 I-010 PRÉ OXIDAÇÃO COM CLORO, DIÓXIDO DE CLORO E OZÔNIO, E USO DE CARVÃO ATIVADO PARA REMOÇÃO DE SUBSTÂNCIAS HÚMICAS DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Luiz Di Bernardo (1) Professor titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo. Angela Silva Di Bernardo Engenheira civil, mestre em Engenharia Civil - Hidráulica e Saneamento e estudante de doutorado no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo Paulo Luiz Centurione Filho Engenheiro civil e estudante de mestrado no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo FOTO NÃO DISPONÍVEL Endereço (1) : Av. Trabalhador São-Carlense, n. 400 São Carlos SP CEP: Brasil Tel: +55 (16) Fax : +55 (16) bernardo@sc.usp.br RESUMO O presente trabalho foi realizado com dois tipos de água, coletados em épocas distintas, em um lago usado como fonte de abastecimento de uma comunidade, com o objetivo de avaliar a remoção de matéria orgânica natural, utilizando-se cloro, dióxido de cloro e ozônio como pré-oxidantes, carvão ativado em pó como adsorvedor, sulfato de alumínio e hidroxicloreto de alumínio como coagulantes, sedimentação e flotação para a clarificação e filtração em areia e em carvão ativado granular. PALAVRAS-CHAVE: Pré-oxidação, cloro, dióxido de cloro, ozônio, carvão ativado. INTRODUÇÃO Devido a presença de matéria orgânica natural MON, decorrente da existência de substâncias húmicas na água, pode haver necessidade do uso de algum tipo de oxidante antes da coagulação e filtração, ou coagulação, floculação, sedimentação (flotação) e filtração. Também, quando há presença de algas no manancial, a préoxidação pode ser necessária para que seja produzida água tratada que atenda a legislação vigente. Entretanto, sabe-se que o oxidante pode reagir com a MON ou com produtos excretados pelas algas, e formar diversos compostos tóxicos ao ser humano. Os níveis dos subprodutos formados na pré-oxidação (SPO) dependem do tipo e dosagem de oxidante, concentração de MON e demais características da água. Diversos parâmetros têm sido usados para medir a MON, destacando-se a cor verdadeira, teor de carbono orgânico total, carbono orgânico dissolvido, absorvância (comprimento de onda igual a 254 nm) e teor de oxigênio consumido. Os SPOs formados podem ser classificados como SPOs halogenados (pré-oxidação com cloro e ozônio), SPOs oxidados (pré-oxidação com ozônio) e SPOs inorgânicos (principalmente com ozônio e dióxido de cloro usados na pré-oxidação). Dentre os SPOs halogenados, destacam-se os trialometanos, ácidos haloacéticos, haloacetonitrilas, haloacetonas e hidratos clorados; os SPOs oxidados incluem aldeídos, ácidos carboxílicos e bromatos; os principais SPOs inorgânicos, clorito e clorato, resultam do uso de dióxido de cloro. Quando a concentração de MON é elevada e a pré-oxidação se faz necessária, o carvão ativado em pó pode ser a solução em estações de tratamento de água (ETAs) existentes em que se tem a sedimentação ou flotação precedendo a filtração. Por outro lado, após a filtração rápida, o carvão ativado granular pode ser empregado para adsorver os SPOs. Tendo em vista a existência de diversas ETAs cujos mananciais vêm apresentando problemas de qualidade semelhantes aos mencionados anteriormente e que necessitam de algum tipo de pré-tratamento visando garantir a produção de água com qualidade que não ofereça riscos à saúde do ser humano, foi realizado o presente trabalho para investigar os efeitos da pré-oxidação com cloro, dióxido de cloro e ozônio, de águas que ABES Trabalhos Técnicos 1

2 contêm MON, no desempenho da adsorção em carvão ativado em pó, sedimentação, flotação e filtração em carvão ativado granular. MATERIAIS E MÉTODOS Na Tabela 1 são apresentadas as características das águas de estudo. Os seguintes produtos foram empregados: sulfato de alumínio comercial líquido (concentração da solução = 50 % em massa; sulfato de alumínio com 17% de Al 2 O 3 = 662,6 g Al 2 (SO 4 ) 3 x 14,3 H 2 O /L; Massa Específica = kg/l); hidroxicloreto de alumínio líquido (massa específica = 1,3 kg/l; teor de Al 2 O 3 = 18 a 20 % em massa por massa); polímero sintético não iônico (Nalco); solução de cloro (0,8 a 1,0 mg/ml de cloro livre); solução de dióxido de cloro (obtida a partir de gerador, com clorito de sódio a 7,5 % e ácido clorídrico a 9 %, com concentração de ClO 2 entre 0,4 e 0,7 mg/ml); ozônio; carvão ativado em pó (número de iodo igual a 800 mg I/g carvão); carvão ativado granular (número de iodo = 820 mg iodo/g carvão; massa específica aparente = 0,48 g/cm 3 ; tamanho dos grãos = 0,30 a 0,85 mm; tamanho efetivo = 0,4 a 0,45 mm; coeficiente de desuniformidade 1,7). Tabela 1 Características das águas de estudo CARACTERÍSTICA ÁGUA TIPO I ÁGUA TIPO II Turbidez (ut) Cor aparente (uc) Cor verdadeira (uc) Absorvância a 254 nm Oxigênio consumido (mg/l) Carbono orgânico total (mg/l) Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) ph Temperatura ( 0 C) Condutividade (µs/cm) Ferro total de amostra digerida (mg Fe/L) Manganês total de amostra digerida (mg/l) 1, ,3 28 ± , ,258 6,6 6, ,0 25 ± ,87 0,01 ENSAIOS REALIZADOS COM A ÁGUA TIPO I ENSAIO 1 DEMANDA DE CLORO E DIÓXIDO DE CLORO EM EQUIPAMENTO DE JAR TESTE Foi realizado um ensaio com o objetivo de verificar a influência da pré-oxidação de MON com cloro e dióxido de cloro. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto às dosagens de produtos químicos, tempos de contato e agitação. Dosagens de cloro: 2,0; 3,5 e 5,0 mg/l; Dosagens de dióxido de cloro: 2,0; 3,5 e 5,0 mg/l; Tempo de contato e agitação: 10, 20 e 30 min. (G = 120 s -1 ). Os parâmetros de controle utilizados no equipamento Jar Teste foram os residuais de cloro e de dióxido de cloro. Com os valores obtidos (ver Figura 1), foram usados nos ensaios subseqüentes: pré-oxidação com cloro (tempo de contato de 30 min e dosagem de 3,5 mg/l); pré-oxidação com dióxido de cloro (tempo de contato de 10 min e dosagem de 5,0 mg/l). ABES Trabalhos Técnicos2

3 5 Cloro Dosado = 2,0 mg/l Demanda de Cloro/Dióxido de Cloro (mg/l) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Cloro Dosado = 3,5 mg/l Cloro Dosado = 5,0 mg/l Dióxido de Cloro Dosado = 2,0 mg/l Dióxido de Cloro Dosado = 3,5 mg/l Dióxido de Cloro Dosado = 5,0 mg/l Tempo de Contato (min) Figura 1 Demanda de cloro e dióxido de cloro em função do tempo de contato ENSAIO 2 ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO EM PÓ Foi realizado um ensaio com o objetivo de verificar a influência do carvão ativado em pó na remoção de matéria orgânica, após a pré-oxidação com cloro e dióxido de cloro. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto às dosagens de produtos químicos, tempos de contato e agitação. Dosagem de cloro = 3,5 mg/l Dosagem de dióxido de cloro = 4,5 mg/l Dosagens de carvão ativado em pó = 10 e 20 mg/l Pré-Oxidação com Cloro: Tc = 30 min; Gc = 120 s -1 Pré-Oxidação com Dióxido de Cloro: Tc = 10 min; Gc = 120 s -1 Aplicação do Carvão Ativado em Pó: Tcap = 10 min; Gcap = 120 s -1 Parâmetros de controle: residuais de cloro e dióxido de cloro e oxigênio consumido Após o enchimento dos seis frascos do Jar Test com a Água Tipo I, ajustou-se a rotação para 100 rpm (Gc = 120 s -1 ). Nos frascos 1, 2 e 3 foram adicionados os volumes da solução de cloro correspondentes à dosagem de 3,5 mg/l, e nos frascos 4, 5 e 6 os volumes da solução de dióxido de cloro correspondentes à dosagem de 4,5 mg/l. Após o tempo de contato de 10 min, introduziram-se 10 e 20 mg/l de carvão ativado em pó nos frascos 5 e 6, respectivamente. Após o tempo de contato de 30 min, introduziram-se 10 e 20 mg/l do carvão nos frascos 2 e 3, respectivamente. Passados 10 min de contato com o carvão, foram coletadas amostras para determinação dos teores residuais de cloro e de dióxido de cloro e de oxigênio consumido. Com os valores obtidos (ver Figura 2) na pré-oxidação com dióxido de cloro com aplicação de carvão ativado em pó (dosagem de 10 mg/l), resultou o menor valor de oxigênio consumido (7,1 mg/l O 2, redução de 30% em relação à água bruta). ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Oxigênio Consumido (mg/l O2) 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Dosagem de Carvão Ativado em Pó (mg/l) Cloro Dosado = 3,5 mg/l Dióxido de Cloro Dosado = 4,5 mg/l Pré-Oxidação com cloro: Tc = 30 min e Gc = 120 s-1; Pré-Oxidação com dióxido de cloro: Tc = 10 min e Gc = 120 s-1; Adsorção em CAP: Tcap = 10 min; Gcap = 120 s-1 Figura 2 Oxigênio consumido em função da dosagem de carvão ativado em pó após pré-oxidação com cloro e dióxido de cloro ENSAIO 3 : SEDIMENTAÇÃO EM JAR TESTE Foi realizado um ensaio variando a dosagem do sulfato de alumínio, após a pré-oxidação com cloro e adsorção em carvão ativado em pó. Inicialmente, pretendia-se realizar vários ensaios para obtenção do diagrama de coagulação do sulfato de alumínio. Entretanto, os resultados do primeiro ensaio indicaram que não seria possível a construção dos diagramas de coagulação para remoção de turbidez e cor aparente, em decorrência da baixa velocidade de sedimentação dos flocos formados. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto às dosagens de produtos químicos, tempos de contato e agitação, tempos e gradientes da mistura rápida e floculação e velocidades de sedimentação. Dosagem de cloro = 3,5 mg/l; Dosagem de carvão ativado em pó = 10 mg/l Dosagens de sulfato de alumínio (produto comercial) = 60 a 110 mg/l Tempo de contato e agitação com cloro: 30 min (G = 120 s -1 ) Tempo de contato e agitação com carvão ativado em pó: 3 min (G = 120 s -1 ) Tmr = 10 s; Gmr = 600 s -1 ; Floculação: Tf = 24 min; Gf = 10 s 1 Velocidades de sedimentação: 2,0 e 1,0 cm/min Parâmetros de controle: turbidez, cor aparente e ph de coagulação do sobrenadante. Após o enchimento dos seis frascos do Jar Test com a Água Tipo I, foi adicionado o cloro (dosagem de 3,5 mg/l) durante 30 min, com rotação de 100 rpm (Gc = 120 s -1 ). Feita a pré-cloração, introduziu-se o carvão ativado em pó (dosagem de 10 mg/l) durante 3 min. Ajustou-se a rotação para 300 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade na mistura rápida (600 s -1 ) e foram adicionadas as dosagens de sulfato de alumínio especificadas em cada frasco. Após 10 s de mistura rápida, a rotação foi diminuída para 20 rpm (gradiente de velocidade na floculação Gf = 10 s -1 ). Passados 24 min, foram feitas coletas de amostras para leitura de turbidez, cor aparente e ph, nos tempos de sedimentação de 3,5 e 7 min. (correspondentes às velocidade de sedimentação compatíveis com as taxas de escoamento superficial observadas nos decantadores convencionais de escoamento horizontal. Para as dosagens de sulfato de alumínio (produto comercial) utilizadas, não foram verificadas significativas alterações na eficiência de remoção de turbidez e cor aparente. Estes resultados (ver Figuras 3 e 4) indicaram que a sedimentação, após coagulação e floculação, não era a tecnologia de tratamento adequada para a clarificação da Água Tipo I. ABES Trabalhos Técnicos4

5 Turbidez Remanescente (ut 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 Vs = 2,0 cm/min Vs = 1,0 cm/min Pré-Oxidação com cloro: Dosagem = 3,5 mg/l Tc = 30 min e Gc = 120 s-1; Adsorção em CAP: Dosagem = 10 mg/l Tcap = 3 min; Gcap = 120 s-1 Tmr = 10 s; Gmr = 600 s-1 Floculação: Tf = 24 min; Gf = 10 s-1 0, Dosagem de Sulfato de Alumínio (mg/l) Figura 3 Turbidez remanescente em função da dosagem de sulfato de alumínio para diferentes velocidades de sedimentação Cor Aparente Remanescente (uc) Vs = 2,0 cm/min Vs = 1,0 cm/min Pré-Oxidação com cloro: Dosagem = 3,5 mg/l Tc = 30 min e Gc = 120 s-1; Adsorção em CAP: Dosagem = 10 mg/l Tcap = 3 min; Gcap = 120 s-1 Tmr = 10 s; Gmr = 600 s-1 Floculação: Tf = 24 min; Gf = 10 s Dosagem de Sulfato de Alumínio (mg/l) Figura 4 Cor aparente remanescente em função da dosagem de sulfato de alumínio para diferentes velocidades de sedimentação ENSAIO 4 SEDIMENTAÇÃO E APLICAÇÃO DE POLÍMERO SINTÉTICO NÃO IÔNICO Foi realizado um ensaio para verificação da influência da velocidade de sedimentação e da dosagem de polímero sintético não iônico na eficiência de remoção de turbidez e cor aparente, após a pré-oxidação com cloro, adsorção em carvão ativado em pó e coagulação com sulfato de alumínio. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto às dosagens de produtos químicos, tempos de contato e agitação, parâmetros da mistura rápida e floculação e velocidades de sedimentação. Dosagem de cloro = 3,5 mg/l; Dosagem de carvão ativado em pó = 10 mg/l Dosagem de sulfato de alumínio (produto comercial) = 100 mg/l Dosagem de polímero sintético não iônico = 0,25 a 1,5 mg/l Tempo de contato e agitação com cloro: 30 min (G = 120 s -1 ) Tempo de contato e agitação com carvão ativado em pó: 3 min (G = 120 s -1 ) Mistura rápida: Tmr = 10 s; Gmr = 600 s -1 Tempo de contato e agitação com polímero: 60 s (G = 300 s -1 ) Floculação: Tf = 24 min; Gf = 10 s 1 ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Velocidades de sedimentação: 5,1; 3,5; 1,9 e 0,9 cm/min Parâmetros de controle: turbidez, cor aparente e ph de coagulação do sobrenadante Após o enchimento dos seis frascos do Jar Test com a Água Tipo I, foi adicionado o cloro (dosagem de 3,5 mg/l) durante 30 min com rotação de 100 rpm (Gc = 120 s -1 ). Feita a pré-cloração, foram introduzidos 10 mg/l de carvão ativado em pó durante 3 min. Ajustou-se a rotação para 300 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade na mistura rápida (600 s -1 ) e foi adicionado o sulfato de alumínio (100 mg/l do produto comercial). Após 10 s de mistura rápida, o polímero foi introduzido e a rotação diminuída para 180 rpm (gradiente de velocidade Gp = 300 s -1 ). Depois de 1 min de agitação com o polímero, a rotação foi acertada para 20 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade da floculação (Gf = 10 s -1 ). Passados 24 min, foram feitas coletas de amostras para leitura de turbidez, cor aparente e ph, nos tempos de sedimentação de 1,4, 2, 3,5 e 7 min. Não foi obtida redução significativa dos valores de turbidez e cor aparente remanescentes da água decantada com o uso do polímero sintético não iônico como auxiliar de floculação e isto indica que, no caso, a sedimentação, após coagulação e floculação, não era a tecnologia de tratamento adequada para a clarificação da Água Tipo I (ver Figuras 5 e 6). Turbidez Remanescente (ut) 16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 12,0 11,5 11,0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Dosagem de Polímero Sintético Não Iônico (mg/l) Vs1 = 5,1 cm/min Vs2 = 3,5 cm/min Vs3 = 1,9 cm/min Vs = 0,9 cm/min Pré-Cloração Dcl = 3,5 mg/l Tc = 30 min e Gc = 120 s-1; Adsorção em CAP: Dcap = 10 mg/l Tcap = 3 min; Gcap = 120 s-1 DAS = 100 mg/l Tmr = 10 s; Gmr = 600 s-1 Polímero: Tp = 1 min; Gp = 300 s-1 Floculação: Tf = 24 min; Gf = 10 s-1 Figura 5 Turbidez remanescente em função da dosagem de polímero sintético não iônico para diferentes velocidades de sedimentação ABES Trabalhos Técnicos6

7 Cor Aparente Remanescente (uc) ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Dosagem de Polímero Sintético Não Iônico (mg/l) Vs1 = 5,1 cm/min Vs2 = 3,5 cm/min Vs3 = 1,9 cm/min Vs = 0,9 cm/min Pré-Cloração Dcl = 3,5 mg/l Tc = 30 min e Gc = 120 s-1; Adsorção em CAP: Dcap = 10 mg/l Tcap = 3 min; Gcap = 120 s-1 DAS = 100 mg/l Tmr = 10 s; Gmr = 600 s-1 Polímero: Tp = 1 min; Gp = 300 s-1 Floculação: Tf = 24 min; Gf = 10 s-1 Figura 6 Cor aparente remanescente em função da dosagem de polímero sintético não iônico para diferentes velocidades de sedimentação ENSAIO 5 : FILTRAÇÃO DIRETA Foi realizado um ensaio de filtração direta em instalação de laboratório com meio filtrante de areia, após coagulação com sulfato de alumínio e hidroxicloreto de alumínio. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto às dosagens de produtos químicos, tempos de contato e agitação, parâmetros da mistura rápida e floculação e tempos de filtração no filtro de laboratório. Dosagem de cloro = 3,5 mg/l Dosagem de sulfato de alumínio (produto comercial líquido) = 30 a 50 mg/l Dosagem de hidroxicloreto de alumínio = 20 a 40 mg/l Tempo de contato e agitação com cloro: 30 min (G = 120 s -1 ) Tmr = 10 s; Gmr = 1200 s -1 Coleta de amostras nos tempos de filtração no filtro de laboratório: 10, 20 e 30 min Parâmetros de controle: turbidez, cor aparente e ph de coagulação do filtrado Procedimento de ensaio sem pré-cloração: após o enchimento dos seis frascos do Jar Test com a Água Tipo I, ajustou-se a rotação para 500 rpm, equivalente ao gradiente de velocidade de 1200 s -1, e introduziu-se o coagulante em cada frasco. Após 10 s de mistura rápida, desligou-se o agitador e abaixou-se gradualmente o suporte de coleta, de modo que a vazão afluente em cada filtro fosse constante durante os 30 min de filtração. Foram feitas coletas dos efluentes dos seis filtros após 10, 20 e 30 min de filtração. Procedimento de ensaio com pré-cloração: após o enchimento dos seis frascos do Jar Test com a Água Tipo I, foi adicionado o cloro (dosagem de 3,5 mg/l) durante 30 min com rotação de 100 rpm (Gc = 120 s -1 ) nos frascos 2, 3, 4 e 5. Feita a pré-cloração, ajustou-se a rotação para 500 rpm, equivalente ao gradiente de velocidade de 1200 s -1, e introduziu-se o coagulante em cada frasco. Após 10 s de mistura rápida, desligou-se o agitador e abaixou-se gradualmente o suporte de coleta, de modo que a vazão afluente em cada filtro fosse constante durante os 30 min de filtração. Foram feitas coletas dos efluentes dos seis filtros após 10, 20 e 30 min de filtração. Os melhores valores (ver Figuras 7 a 10) foram obtidos utilizando dosagem de hidroxicloreto de alumínio entre 40 e 60 mg/l na remoção de turbidez e cor aparente; dosagem de sulfato de alumínio superior a 100 mg/l do produto comercial. A pré-cloração não interferiu nos resultados de turbidez e cor aparente remanescentes. ABES Trabalhos Técnicos 7

8 Turbidez Remanescente (ut) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Hidroxi Cloreto de Alumínio = 20,0 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 30,0 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 40,0 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 30,0 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 40,0 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 50,0 mg/l 0, Tempo de Filtração (min) Tmr = 10 s; Gmr = 1200 s-1 Filtração: Instalação de Filtros- Piloto Figura 7 Turbidez Remanescente em função do Tempo de Filtração para diferentes condições de coagulação, Ensaio de Filtração Direta Descendente sem Pré-Cloração Turbidez Remanescente (ut) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Tempo de Filtração (min) Hidroxi Cloreto de Alumínio = 50,0 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 60,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 70,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 80,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 90,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 100,0 mg/l Pré-Cloração: Dcl = 3,5 mg/l Tc = 30 min e Gc = 120 s-1 Tmr = 10 s; Gmr = 1200 s-1 Filtração: Instalação de Filtro-Piloto Figura 8 Turbidez Remanescente em função do Tempo de Filtração para diferentes condições de coagulação, Ensaio de Filtração Direta Descendente com Pré-Cloração ABES Trabalhos Técnicos8

9 Cor Aparente Remanescente (uc) 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 Hidroxi Cloreto de Alumínio = 20,0 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 30,0 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 40,0 mg/l Sulfato de Alumínio (p comercial) = 30,0 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 40,0 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 50,0 mg/l 0, Tempo de Filtração (min) Tmr = 10 s; Gmr = 1200 s-1 Filtração: Instalação de Filtros-Piloto Figura 9 Cor Aparente Remanescente em função do Tempo de Filtração para diferentes condições de coagulação, Ensaio de Filtração Direta Descendente sem Pré-Cloração Cor Aparente Remanescente (uc) Tempo de Filtração (min) Hidroxi Cloreto de Alumínio = 50,0 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 60,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Hidroxi Cloreto de Alumínio = 70,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 80,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 90,0 mg/l; Cloro = 3,5 mg/l Sulfato de Alumínio (p.comercial) = 100,0 mg/l Pré-Cloração: Dcl = 3,5 mg/l Tc = 30 min e Gc = 120 s-1 Tmr = 10 s; Gmr = 1200 s-1 Filtração: Instalação de Filtro-Piloto Figura 10 Cor Aparente Remanescente em função do Tempo de Filtração para diferentes condições de coagulação, Ensaio de Filtração Direta Descendente com Pré-Cloração ENSAIO 6: FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Para o estudo de viabilidade do emprego da flotação, foi utilizado um equipamento de bancada chamado Flot Teste (ver Figura 16), com câmara de flotação de seção retangular cujas características geométricas são semelhantes às do equipamento Jar Teste. O sistema de flotação é o FADPR (Flotação por Ar Dissolvido com Pressurização da Recirculação). A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto às dosagens de produtos químicos, tempos de contato e agitação, parâmetros da mistura rápida, floculação e flotação. Dosagem de cloro = 3,5 mg/l Dosagem de carvão ativado em pó = 10 mg/l Dosagem de hidroxicloreto de alumínio = 40,0mg/L Dosagem de sulfato de alumínio = 100,0 mg/l com dosagem de 0,5 mg/l de polímero não iônico Tmr = 10 s; Gmr = 600 s -1 ; Floculação: Tf = 20 min; Gf = 10 s -1 Velocidades de flotação: 12,4; 4,1; 2,1 e 1,4 cm/min; taxa de recirculação : 10 %; pressão na câmara de pressurização : 400 kpa Parâmetros de controle: turbidez, cor aparente e ph de coagulação ABES Trabalhos Técnicos 9

10 Foi adicionado o volume de cloro correspondente à dosagem de 3,5 mg/l, para um tempo de contato de 30min, a uma porção de água bruta (2 L). Posteriormente, foi adicionado o volume de solução de carvão ativado (D CAP = 10 mg/l), para um tempo de contato de 3 min. Iniciou-se a mistura rápida com rotação de 300 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade médio de mistura rápida (Gmr = 600 s -1 ) com a adição do volume de solução de coagulante. Passado o tempo de mistura rápida de 10 s, a rotação do equipamento foi ajustada para 100 rpm e foi adicionado (quando necessário) o volume de polímero correspondente à dosagem de 0,5 mg/l para um tempo de contato de 1 min. Em seguida, iniciou-se a floculação com rotação de 20 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade médio de floculação (Gf = 10 s -1 ). Passado o tempo de floculação de 20 min, a paleta foi retirada do frasco e o registro de entrada de água saturada com ar do frasco foi aberto de modo a aplicar a taxa de recirculação (R = 10%). As amostras foram coletadas para os tempos de 1, 3, 6 e 9 min após o fechamento do registro, correspondendo, respectivamente, às velocidades ascensionais (VA) de 12,4, 4,1, 2,1 e 1,4 cm/min. Não foram verificadas alterações significativas na remoção de turbidez da água bruta, porém, houve redução de 80 % na cor aparente com relação à água bruta para a velocidade ascensional de 12,4 cm/min utilizando ambos coagulantes (ver Figuras 11 a 13). Cor Aparente (uc) e Turbidez (ut) Remanescentes Cor aparente remanescente Turbidez remanescente R = 10 %; P = 400 kpa; Dosagens de produtos químicos: D Cl = 3,5 mg/l; Dcap= 10 mg/l; DSA D = 70,0 mg/l (produto comercial); Tmr = 10 s e Gmr = ; sfloculação: Tf = 20 min e Gf = s 0 12,4 4,1 2,1 1,4 Velocidade Ascensional - VA (cm/min) Figura 11 Comparação entre os valores de cor aparente e de turbidez remanescentes para diversas velocidades ascensionais com emprego da pré-cloração, carvão ativado e sulfato de alumínio Cor Aparente (uc) e Turbidez (ut) Remanescentes ,4 4,1 2,1 1,4 Velocidade Ascensional - VA (cm/min) Cor aparente remanescente Turbidez remanescente R = 10 %; P = 400 kpa; Dosagens de produtos químicos: DCl= 3,5 mg/l; Dcap = 10 mg/l; DSA D = 100,0 mg/l (produto comercial); Dpo l = 0,5 mg/l; Tmr = 10 s e Gmr = ; Floculação: s Tf = 20 min e Gf = s Figura 12 Comparação entre os valores de cor aparente e de turbidez remanescentes para diversas velocidades ascensionais com emprego da pré-cloração, carvão ativado, polímero sintético não iônico e sulfato de alumínio ABES Trabalhos Técnicos 10

11 Cor Aparente (uc) e Turbidez (ut) Remanescentes ,4 4,1 2,1 1,4 Velocidade Ascensional - VA (cm/min) Cor aparente remanescente Turbidez remanescente R = 10 %; P = 400 kpa; Dosagens de produtos químicos: DCl= 3,5 mg/l; DCAP = 10 mg/l; DH = 40,0mg/L; Tmr = 10 s e Gmr = ; sfloculação: Tf = 20 min e Gf = 10 s -1. Figura 13 Comparação entre os valores de cor aparente e de turbidez remanescentes para diversas velocidades ascensionais com (emprego da pré-cloração, carvão ativado e de hidroxicloreto de alumínio ENSAIOS REALIZADOS COM A ÁGUA TIPO II Foram realizados ensaios de filtração direta e flotação por ar dissolvido utilizando a água com as características da Tabela 1. Para a realização dos ensaios foi utilizada uma instalação de filtração direta de laboratório (ver Figura 15) com meio filtrante contendo carvão ativado granular e o equipamento de flotação por ar dissolvido de laboratório, o Flot-Teste (ver Figura 16). O ozônio foi utilizado para promover a préoxidação da matéria orgânica contida na água bruta. ENSAIO 1 FILTRAÇÃO EM CAG Foi enchido um frasco do equipamento Jar-Test e imediatamente iniciada a filtração na instalação piloto e feita a coleta após 10 min. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto à taxa de filtração, tempos de filtração e coleta do filtrado. Espessura do meio filtrante: 20 cm Taxa de filtração: 0,0444 m/min = 64 m 3 /m 2.d; Tempo de detenção: 10 min Coleta: após 10 min de filtração Os parâmetros de controle no ensaio foram: turbidez e cor aparente. Os valores remanescentes obtidos foram turbidez de 0,37 ut e cor aparente de 3 uc. ENSAIO 2 FILTRAÇÃO DE ÁGUA BRUTA PRÉ-OXIDADA COM OZÔNIO EM CAG A coluna de ozonização foi enchida com 2 litros de água bruta. Em seguida, com a regularização da vazão de oxigênio, o equipamento de ozonização foi ligado. Após 5 min, a amostra de água pré-oxidada foi coletada na parte inferior da coluna e levada ao frasco do equipamento Jar-Teste. Imediatamente depois, foi iniciada a filtração na instalação piloto e feita a coleta após 10 min. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto ao tempo de pré-oxidação, taxa de filtração, tempos de filtração e coleta do filtrado. Tempo de ozonização: 5 min; Altura da coluna de ozonização: 4 m Espessura do meio filtrante: 20 cm Taxa de filtração: 0,0444 m/min = 64 m 3 /m 2.d; Tempo de detenção: 10 min Coleta do filtrado: após 10 min de filtração Os parâmetros de controle foram: turbidez e cor aparente. Os valores remanescentes obtidos foram turbidez de 0,57 ut e cor aparente de 3 uc. ABES Trabalhos Técnicos 11

12 ENSAIO 3 FLOTAÇÃO E FILTRAÇÃO EM CAG Após o enchimento do frasco do Flot-Test com a água, iniciou-se a mistura rápida com rotação de 450 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade médio de mistura rápida de 1000s -1. Passado o tempo de mistura rápida de 10 s, iniciou-se a floculação com rotação de 32 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade médio de floculação de 20 s -1. Passado o tempo de floculação de 20 min, a paleta foi retirada do frasco e o registro de entrada de água saturada com ar do frasco foi aberto de modo a aplicar a taxa de recirculação (R = 10 %). Decorrido o tempo de 2,5 min após o fechamento do registro, correspondente à velocidade de ascensional de 5 cm/min, foi coletada a amostra 3B do subnadante e iniciada a filtração na instalação de filtração de laboratório. A coleta da amostra filtrada 3A" foi feita após 10 min. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto à dosagem de coagulante, parâmetros da mistura rápida, floculação e flotação, taxa de filtração e tempo de filtração. Sulfato de Alumínio (produto comercial líquido) = 100 mg/l Tmr = 10 s; Gmr = 1000 s -1 ; Floculação: Tf = 20 min; Gf = 10 s -1 Tempo para início da filtração: 2,5 min (Velocidade ascensional: VA = 5 cm/min) Taxa de recirculação = 10 %; Pressão na câmara de pressurização = 400 kpa Espessura do meio filtrante (CAG): 20 cm Taxa de filtração: 0,0444 m/min = 64 m 3 /m 2.d; Tempo de contato : 10 min Coleta do filtrado: após 10 min de filtração Os parâmetros de controle foram: turbidez, cor aparente e ph. Os valores remanescentes obtidos foram turbidez de 0,23 ut e cor aparente de 1 uc. ENSAIO 4 PRÉ-OXIDAÇÃO COM OZÔNIO, FLOTAÇÃO E FILTRAÇÃO EM CAG A coluna de ozonização foi enchida com 2 litros de água bruta. Em seguida, com a regularização da vazão de oxigênio, o equipamento de ozonização foi ligado. Após 5 min, a amostra de água pré-oxidada foi coletada na parte inferior da coluna e levada ao frasco do equipamento Flot-Teste. Posteriormente, iniciou-se a mistura rápida com rotação de 450 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade médio de mistura rápida de 1000 s - 1. Passado o tempo de mistura rápida de 10 s, iniciou-se a floculação com rotação de 32 rpm, correspondente ao gradiente de velocidade médio de floculação de 20 s -1. Passado o tempo de floculação de 20 min, a paleta foi retirada do frasco e o registro de entrada de água saturada com ar do frasco foi aberto de modo a aplicar a taxa de recirculação (R = 10 %). Decorrido o tempo de 2,5 min após o fechamento do registro, correspondente à velocidade de ascensional de 5 cm/min, foi coletada a amostra 4B do subnadante e iniciada a filtração na instalação de filtração direta de laboratório. A coleta da amostra filtrada 4A" foi feita após 10 min. A seguir são apresentadas as características do ensaio quanto à dosagem de coagulante, tempo de ozonização, parâmetros da mistura rápida, floculação e flotação, taxa de filtração e tempo de filtração. Sulfato de Alumínio (produto comercial) = 100,0 mg/l Tempo de ozonização: 5 min; Altura da coluna de ozonização: 4 m Tmr = 10 s; Gmr = 1000 s -1 ; Floculação: Tf = 20 min; Gf = 10 s -1 Tempo para início da filtração: 2,5 min (Velocidade ascensional: VA = 5 cm/min) Taxa de recirculação = 10 %; Pressão = 400 kpa Espessura do meio filtrante (CAG): 20 cm Taxa de filtração: 0,0444 m/min = 64 m 3 /m 2.d; Tempo de detenção: 10 min Coleta do filtrado: após 10 min de filtração Os parâmetros de controle foram: turbidez, cor aparente e ph. Os valores remanescentes obtidos foram turbidez de 0,17 ut e cor aparente de 1 uc. COMPARAÇÃO DO RESULTADOS DOS ENSAIOS COM ÁGUA TIPO II Na Tabela 2 e Figura 14 são apresentados os resultados obtidos nos quatro ensaios. ABES Trabalhos Técnicos 12

13 Tabela 2 Resultados do Ensaios CARACTERÍSTICA A 3 B 4 A 4 B ph 8,4 8,6 8,5 7,0 8,7 7,0 Alcalinidade Total (mg/l CaCO 3 ) Cor Aparente (uc) Cor Verdadeira (uc) Turbidez (ut) 0,37 0,57 0,23 1,59 0,17 1,49 Absorvância (254 nm) 0,004 0,003 0,002-0,001 - Condutividade elétrica (µs/cm) 289,0 286,0 292,0-321,0 - Oxigênio Consumido (mg/l O 2 ) 0,2 0,3 0,4-0,5 - COT (mg de C/L) 1,431 0,986 0,937-0,889 - Ferro Total (mg de Fe/L) ND ND ND - ND - Manganês Total (mg de Mn/L) ND ND ND - ND - As colunas 3B e 4B da tabela são referentes aos resultados das amostras dos subnadantes após a flotação, imediatamente antes do início da filtração utilizando CAG. uc, ut, mg/l de Oxigênio ou mg C/L Cor aparente (uc) Cor verdadeira (uc) Turbidez (ut) Oxigênio consumido (mg/l O2) COT (mg C/L) Características da Água Bruta: Turbidez = 5,34 ut Cor aparente = 52,0 uc Cor verdadeira = 50,0 uc Oxigênio consumido = 6,6 mg/l de O2 COT = 6,834 mg C/L A 4A Ensaio Figura 14 Comparação dos resultados dos ensaios 1 a 4 Água Tipo II Observando-se a Figura 14, verifica-se que foram obtidos resultados de cor aparente, cor verdadeira e turbidez inferiores à 5 uc e 1 ut. CONCLUSÕES As seguintes conclusões resultaram do trabalho experimental realizado. ÁGUA TIPO I Nos ensaios de sedimentação em Jar Test, o aumento da dosagem de 60 a 110 mg/l de sulfato de alumínio (produto comercial) não melhorou a sedimentabilidade dos flocos (mesmo para velocidades de sedimentação ABES Trabalhos Técnicos 13

14 baixas), indicando que esta não era tecnologia de tratamento adequada para a clarificação da Água Tipo I. Também, dosagens de polímero sintético não iônico até 1,5 mg/l não foram suficientes para a formação de flocos com alta velocidade de sedimentação. Cabe ressaltar que a pré-cloração não interferiu nos resultados de turbidez e cor aparente remanescentes. Os resultados obtidos nos ensaios de flotação por ar dissolvido (utilizando os dois coagulantes) e filtração direta utilizando dosagens de 40 a 60 mg/l de hidroxicloreto de alumínio indicam ser as tecnologias apropriadas para o tratamento da Água Tipo I. ÁGUA TIPO II O emprego do ozônio como pré-oxidante foi fundamental para a redução da cor aparente anteriormente à aplicação da flotação e filtração, pois, logo após o tempo de contato, pode-se observar visualmente uma sensível redução do parâmetro com relação à água bruta. Em todos os ensaios para a clarificação da Água Tipo II, foram obtidos resultados de turbidez e cor aparente remanescentes inferiores à 1 ut e 5 uc. Entretanto, os melhores resultados foram obtidos utilizando ozônio como pré-oxidante (tempo de contato de 5 min), flotação por ar dissolvido (velocidade ascensional de 5 cm/min, taxa de recirculação de 10% e pressão de 400 kpa) e filtração direta, empregando-se, como meio filtrante, o carvão ativado granular (espessura de 20 cm, tempo de detenção de 10 min e taxa de filtração de 64 m 3 /m 2.dia), com valores remanescentes de 0,17 ut e 1 uc. INSTALAÇÕES UTILIZADAS Figura 16 Equipamento de Jar Teste e filtros de laboratório Mistura Rápida Início da Recirculação ABES Trabalhos Técnicos 14

15 Subida das Microbolhas e Clarificação Final da Clarificação Figura 16 Etapas da Flotação no Flot Teste (FADPR) BIBLIOGRAFIA 1. AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION (1990) Water Quality and Treatment - A Handbook of Community Water Supplies. AWWA IV Ed., USA. 2. DI BERNARDO, L. (1993) Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. Di Bernardo & ABES, Vol I, Rio de Janeiro, Brasil. ABES Trabalhos Técnicos 15