Coagulation diagrams as an essential tool for reducing costs with chemicals in Water Treatment Plants (WTP's). Elizabeth R. Halfeld da Costa 1 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais 1 Departamento de Ciência e Tecnologia Ambiental, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. * Autor corresponsal: Departamento de Ciência e Tecnologia Ambiental, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerias. Av. Amazonas, 5253 - Nova Suíça, Belo Horizonte, Minas Gerais, Central. 30.421-169. Brasil. Email: elizabethhalfeld@ig.com.br; elizabethhalfeld@deii.cefetmg.br Abstract Coagulation diagrams obtained by coagulation, flocculation and sedimentation tests are important tools for Water Treatment Plants (WTP s) operation. Understanding the raw water quality associated with the diagram data enable decisions in order to optimize coagulation, thus reducing costs. This study results from laboratory studies at a WTP supplied by a water spring with significant iron and manganese levels. In order to remove manganese, the WTP ran with ferric chloride in a ph range higher than 8.9, considering that this is the literature recommended range for this element removal. As a result, high coagulant dosages were used. Willing to reduce costs with chemicals, studies based on coagulation diagrams were made, using different coagulants to verify the proper removal of iron, manganese, color and turbidity. At first, ferric chloride, ferric sulfate and ferrous sulfate were investigated, since the iron hydrolysed species are efficient on coagulating water impurities in a ph range of 6.0 to 9.5.The aluminum sulfate was then investigated, since studies with ferric chloride, ferrous sulfate and ferric sulfate have proven efficient in the removal of iron and manganese at ph below 7.5. The results were applied at the WTP, where the efficient removal of iron and manganese, color and turbidity was confirmed. The study resulted in a cost saving of about 34%. KeyWords: Coagulation diagrams, removal of iron and manganese, saving coagulantes, Water Treatment Plants. DIAGRAMA DE COAGULAÇÃO COMO FERRAMENTA IMPRESSÍNDIVEL NA REDUÇÃO DE GASTOS COM PRODUTOS QUIMICOS, EM ETA(S). Resumo Diagramas de coagulação obtidos por meio de ensaios de coagulação, floculação e sedimentação são ferramentas importantes na operação de ETA(s). O conhecimento da qualidade da água bruta associado aos fundamentos dos diagramas possibilitam que sejam tomadas decisões na otimização da coagulação, visando obter economia. O presente trabalho é o resultado dos estudos em laboratório aplicados a uma ETA(s) abastecida por um manancial com significativos teores de ferro e manganês. Para garantir a remoção principalmente do manganês, a estação trabalhava com o cloreto férrico como coagulante em faixas de ph superiores a 8,9, já que esta, é a faixa recomendada pela literatura para remoção desse elemento. Como consequência, elevadas dosagens de coagulante e de alcalinizante eram utilizados. Objetivando diminuir os gastos com os produtos químicos desenvolveram-se estudos fundamentados nos diagramas, com diversos coagulantes para verificar a remoção adequada de ferro, manganês, cor e turbidez. A princípio investigou-se o cloreto férrico, sulfato férrico e o sulfato ferroso, uma vez que as espécies hidrolisadas de ferro são eficientes na coagulação das impurezas da água em uma faixa de ph de 6,0 a 9,5.Posteriormente, o sulfato de alumínio passou a fazer parte das investigações, já que os estudos com o cloreto férrico, sulfato ferroso e sulfato férrico demonstraram ser eficientes na remoção do ferro e do manganês em ph menor que 7,5. Os resultados foram aplicados na estação onde foi confirmada a remoção eficiente do ferro e do manganês, da cor e da turbidez. O estudo resultou numa economia em torno de 34 %. Palavras chave: Diagrama de coagulação, economia de coagulante, remoção de ferro e manganês, tratamento de agua.
Introdução Estudos em laboratório, quando realizados criteriosamente e fundamentados nos Diagramas de Coagulação, fornecem condições apropriadas para conduzir investigações a respeito da coagulação, floculação, decantação, filtração. Este trabalho foi desenvolvido na estação de Tratamento de águas do Rio Manso, situada na região metropolitana de Belo Horizonte - MG - Brasil. A estação é abastecida por uma represa cuja água apresenta significativos teores de ferro e manganês, os quais devem ser removidos para atender a portaria em vigor. Em geral, a oxidação do ferro com a consequente formação do precipitado Fe(OH) 3 ocorre em valores de ph compreendidos entre 7 e 8, porém a oxidação de manganês, para formação do precipitado MnO 2, acontece para valores de ph mais elevados, geralmente maiores que 8,0 (Di Bernardo, 2002). Para garantir a remoção principalmente do manganês a estação trabalhava com o cloreto férrico como coagulante em faixas de ph>8,9, já que esta, é a faixa recomendada para remoção desse elemento. Em consequência disso, elevadas dosagens de coagulante e de alcalinizante eram utilizados. Objetivando diminuir os gastos com produtos químicos responsáveis pela coagulação desenvolveram-se em laboratório estudos fundamentados nos diagramas de coagulação, utilizando-se coagulantes distintos. As primeiras investigações foram realizadas utilizando-se cloreto férrico, sulfato férrico e sulfato ferroso como coagulantes, uma vez que as espécies hidrolisadas de ferro são eficientes na coagulação das impurezas da água em uma faixa de ph mais ampla, de 6,0 a 9,5, aproximadamente. O sulfato de alumínio como coagulante, foi descartado inicialmente, já que as espécies hidrolisadas de alumínio, eficientes na coagulação das impurezas da água, são formadas em valores de ph comumente inferiores a 7,5. Posteriormente, o sulfato de alumínio passou a fazer parte das investigações, já que os estudos com o cloreto férrico, o sulfato férrico e sulfato ferroso demonstraram ser eficientes na remoção do ferro e do manganês em ph menor que 7,5. A estação é do tipo ciclo completo com unidades de mistura rápida, floculação e decantação antes de filtração, portanto as investigações foram realizadas no mecanismo da varredura. Os estudos em laboratório mostraram que o ferro e o manganês puderam ser eficientemente removidos em faixas de ph entre 6,9 e 7,5 aproximadamente, com qualquer um dos coagulantes investigados. Além disso, verificou-se que em ph de 6,9 a 7,5, a turbidez e a cor presentes na água bruta foram removidas com mais eficiência do que em ph superior a 8. Além disso, nos ensaios com cloreto férrico, sulfato férrico e sulfato ferroso foi possível verificar que as dosagens ótimas desses coagulantes, em ph de 6,9 a 7,5, foram menores que as dosagens utilizadas em ph superior a 8. Os estudos em laboratório foram aplicados à estação e os resultados obtidos foram similares aos obtidos em laboratório. O resultado diste estudo aplicado à estação proporcionou economia de coagulante e maior eficiência de remoção de turbidez e cor, além do ferro e do manganês. Dos coagulantes investigados, o sulfato de alumínio na dosagem adequada e em ph de (6,9 a 7,5) apresentou o menor custo, sendo então o escolhido para ser aplicado na estação. Em relação aos gastos com produtos químicos na estação foi registrada, nos seis primeiros meses de sua aplicação, uma economia de 34 % de coagulante e alcalinizante se comparada ao mesmo período do ano anterior, o que é bastante representativo considerando que a estação trabalha com uma vazão média de 4.000 l/s. METODOLOGIA O trabalho foi investigado em quatro etapas, a saber: 1ª Etapa- Estudo da qualidade da água que abastece a estação ao longo dos três últimos anos; 2ª Etapa- Definição das águas a serem estudadas por meio dos diagramas de coagulação; 3ª Etapa - Realização de ensaios em laboratório para levantamento dos diagramas de coagulação; 4ª Etapa- aplicação na estação dos resultados obtidos nos diagramas de coagulação.
1ª Etapa - Estudo da qualidade da água que abastece a estação ao longo dos três últimos anos; A ETA-Rio Manso recebe água bruta oriunda de três comportas situadas na Torre de tomada d água da represa do Rio Manso. A comporta mais superficial (comporta 3) tem sido a mais utilizada para obtenção da água para abastecer a estação. Os registros operacionais da COPASA-MG, referentes à água bruta, que chegou à estação nos três últimos anos, mostraram que a qualidade da mesma apresentou, aproximadamente, as variações contidas na tabela 1. Tabela 1: Variação da qualidade da água bruta ao longo de três anos, na ETA-Rio Manso PARÂMETROS DE QUALIDADE DA ÁGUA VARIAÇÃO Cor aparente (uh) 12,5 180 Cor real (uh) 7,5 105 Turbidez (ut) 1,0 48 ph 6,6-7,8 Alcalinidade (mg/l de CaCO3) 19-20 Ferro total (mg/l) 0,22-1,9 Manganês total (mg/l) 0,12-0,78 2ª Etapa - Definição das águas a serem estudadas por meio dos diagramas de coagulação A partir do estudo da qualidade da água que abastece a ETA-Rio Manso e das possibilidades de se trabalhar com água oriunda das três comportas estipularam-se quatro tipos de água para estudo, as quais representariam o universo das águas que abastecem a estação. São elas: Água Tipo I: coletada na comporta mais superficial, no período chuvoso; Água Tipo II: coletada na comporta intermediária, no período chuvoso; Água Tipo III: coletada na comporta mais superficial, no período seco, durante a inversão térmica do lago; Água Tipo IV: coletada na comporta mais superficial, no período seco. As principais características das águas estudadas estão contidas na tabela 2. Tabela 2: Variação da qualidade da água bruta ao longo de um ano, na ETA-Rio Manso. CARACTERÍSTICAS DAS ÁGUAS ESTUDADAS TIPO I TIPO II TIPO III TIPO IV Cor aparente (uh) 77-80 80 85 81-99 17-22 Cor real (uh) 55 50 61 12 Turbidez (ut) 15 17 16 18 16-19 2,6-3,5 ph 6,67-7,60 6,8-7,7 6,68-7,67 6,97-7,65 Alcalinidade. (mg/l Ca CO3) 17 20 20 21 18-20 19-20 Ferro total (mg/l) 0,90-1,1 0,99-1,14 1,58-1,9 0,22-0,37 Manganês total (mg/l) 0,27-0,3 0,58-0,78 0,38-0,48 0,12-0,22 Dureza Total.(mg/l Ca CO3) 14 15 15 15 15 Temperatura 24 0±1 25 0±1 20 0±1 25 0±1 3ª Etapa - Realização de ensaios em laboratório para o levantamento de diagramas de coagulação. Para execução dos ensaios, com cada tipo de água, foi coletada, na época correspondente à sua ocorrência, um volume de água bruta na ordem de 500 litros, aproximadamente. A água coletada foi armazenada em um tanque de fibra de vidro com tampa para evitar o desenvolvimento de algas. Para a elaboração do diagrama de coagulação foi utilizada a metodologia descrita em BOF e COSTA (2008).
Os ensaios de coagulação-floculação-decantação para levantamento do diagrama foram realizados em aparelhos de jartest utilizando-se o cloreto férrico, o sulfato férrico o sulfato ferroso e o sulfato de alumínio para os quatro tipos de água, em 2 séries de ensaios, a saber: Serie I- Ensaios para levantamento dos Diagramas de Coagulação; Série II- Ensaios para o estudo da remoção do ferro e do manganês considerando os diagramas de coagulação. 4ª Etapa- aplicação na estação dos resultados obtidos nos diagramas de coagulação. Nessa etapa, todos os melhores resultados de dosagem e ph de coagulação obtidos por meio dos diagramas de coagulação foram aplicados na estação de tratamento. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos dos ensaios da série I possibilitaram construir os diagramas de coagulação para os coagulantes investigados (cloreto férrico, sulfato férrico, sulfato ferroso e o sulfato de alumínio) em todos as águas estudadas (Tipos I, II, III e IV). Nos diagramas de coagulação de cada água estudada foram escolhidos pontos dados pelos pares de valores dosagem de cloreto férrico x ph de coagulação, para os quais foram efetuados os estudos sobre a remoção do ferro e do manganês, que constituíram os ensaios da série II. Os diagramas do cloreto férrico, sulfato férrico e sulfato ferroso apresentaram-se de maneira semelhante entre si, mas bem diferente do diagrama do sulfato de alumínio em termos de ph de coagulação e dosagem de coagulante. Os diagramas de coagulação da água tipo IV, gerados a partir dos ensaios com o cloreto férrico e com o sulfato de alumínio estão representados nas figuras 1 e 2, respectivamente. Nos diagramas de coagulação foram escolhidos pontos para o estudo da remoção do ferro e do manganês, considerando-se que a oxidação do ferro com a consequente formação do precipitado ocorre em valores de ph compreendidos entre 7 e 8 e que a oxidação do manganês com a conseqüente formação do precipitado, acontece para valores de ph maiores que 8,0. Assim, quatro pontos (pontos 1, 2, 3 e 4) foram escolhidos no diagrama da figura 1. Apenas um ponto (ponto 5) foi escolhido nos diagramas das figuras 2, já que o diagrama do sulfato de alumínio demonstrou melhor remoção da turbidez e da cor numa faixa de ph estreita, compreendida entre 6,5 e 7,5. Comparando os diagramas de coagulação elaborados a partir dos ensaios de laboratório, observou-se que: O diagrama do cloreto férrico e do sulfato ferroso mostrou remoção na faixa entre ph de 6,0 e 9,4, aproximadamente, sendo que na faixa de ph de 6,0 a 7,0, com menores dosagens foi possível obter valores de turbidez e cor aparente remanescente menores que às utilizadas em ph superiores, de 8,0 a 9,4; Já o diagrama do sulfato férrico mostrou remoção na faixa de ph entre 5,0 e 9,3, aproximadamente, sendo que na faixa de ph de 6,4 a 7,0, com dosagens menores, a turbidez e a cor aparente remanescente foram ligeiramente inferiores que as utilizadas nas faixas de (8,0 a 9,4); O diagrama do sulfato de alumínio mostrou remoção na faixa de ph de 6,5 a 7,5, e obtiveram valores de turbidez e cor aparente remanescente relativamente baixos, bem parecidos com os valores obtidos nos diagramas do cloreto férrico, sulfato ferroso e sulfato férrico, considerando as faixas de remoção do sulfato de alumínio (entre 6,5 e 7,0). As figuras 1 e 2 mostram respectivamente os diagramas do cloreto férrico e sulfato de aluminio para a agua tipo IV.
Figura 1: Pontos escolhidos no Diagrama de coagulação para o cloreto férrico, água tipo IV. Figura 2: Pontos escolhidos no Diagrama de coagulação para o sulfato de aluminio, água tipo IV.
CONCLUSÕES Os diagrama de coagulação demonstraram ser uma ferramenta imprescindível na operação de uma estação de tratamento de águas, uma vez que, por meio do levantamento criterioso deles, foi possível aumentar a eficieêcia de remoção de turbidez, cor aparente, ferro e manganês e reduzir gastos com produtos químicos na coagulação da ETA-Rio Manso. Os estudos em laboratório com, diversos coagulantes, fundamentados nos diagramas de coagulação foram aplicados na própria estação de tratamento de água e resultaram na remoção eficiente do ferro, do manganês, da cor e da turbidez presentes da água bruta, gerando uma economia em torno de 34 %, o que é bastante representativo considerando que a estação trabalha com uma vazão média de 4.000 l/s. O manganês e o ferro foram surpreendentemente removidos em ph menor que 8 na maior parte dos ensaios; Os estudos realizados na ETA-Rio Manso criaram opções de trabalho com diversos coagulantes. Tal fato resultou num melhor poder de negociação de preços dos produtos químicos envolvidos na coagulação. Agradecimentos O autor agradece à COPASA-MG, pela oportunidade de desenvolver esse estudo na estação de tratamento de águas do Rio Manso. Referências bibliográficas Amirtharajah, A. e Mills, K. M. (1972). Rapid Mix design for mechanisms of alum coagulation. Journal AWWA, 74(4), 210-216. Bof, J. G.; COSTA, E. R. H. da ; Dias JR., C. Avaliação comparativa entre a sedimentação e a flotação na remoção de fitoplancton, com base no diagrama de coagulação de sulfato de aluminio. In: XIII Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitaria e Ambiental, 2008, Belém do Pará. Anais do XIII Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2008. Costa, E. R. H.(1992). Estudo do uso de polímeros naturais como auxiliares de floculação com base no diagrama de coagulação do sulfato de alumínio. São Carlos. Dissertação de Mestrado- Universidade de São Paulo- USP, Escola de Engenharia de São Carlos. Costa, E. R. H.(1995). Aumento da capacidade de estações de tratamento de água através da seleção de coagulantes e auxiliares de floculação especiais, XVIII Congresso de Engenharia Sanitária e Ambiental 1995. Anais. Salvador BA, 1995. Di Bernardo, L. e Dantas, A. D. B. (2005). Métodos e técnicas de tratamento de água. 2 ed., v. 1. São Carlos: RiMa. Di Bernardo, L., Di Bernardo, A. e Centurione, P. L. (2002). Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. São Carlos: RiMa. Jesus, E., Cruz, P. V., Pacífico, J. A. e Silva, A. S. (2013). Removal of turbidity, suspended solids and ions of Fe from aqueous solution using Okra powder by coagulation-flocculation process. American Journal of Water Resources, 1(3): 20-24. Libânio, M. (2008) Fundamentos de qualidade e tratamento de água. 2 ed. Campinas: Átomo. Richter, C. A. (2009) Água: Métodos e tecnologia de tratamento. São Paulo: Edgard Blucher.