AVALIAÇÃO DO EMPREGO DE SULFATO DE ALUMÍNIO E DO CLORETO FÉRRICO NA COAGULAÇÃO DE ÁGUAS NATURAIS DE TURBIDEZ MÉDIA E COR ELEVADA Marcelo Libânio (1) Engenheiro Civil, Mestre em Engenharia Sanitária e Doutor em Hidráulica e Saneamento Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG e Pesquisador, nível 2 c, do CNPq. Marilane Mota Pereira FOTO Acadêmica do 4 o ano do curso de graduação em Engenharia Civil da UFMG. Bernardo Mourão Vorcaro Engenheiro Civil, Diretor Adjunto do Serviço Autônomo de Água e Esgoto de Caeté (MG), administrado pela Fundação Nacional de Saúde. Raimunda Cecília dos Reis Técnica química do Serviço Autônomo de Água e Esgoto de Caeté (MG). Léo Heller Engenheiro Civil, Mestre em Engenharia Sanitária e Doutor em Epidemiologia Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG Pesquisador, nível 2 c, do CNPq Pró-Reitor Adjunto de Pós-Graduação da UFMG. Endereço (1) : Rua Consul Válter, 105/202 - Buritis - Belo Horizonte - MG - CEP: 30575-140 - Brasil - Tel: (031) 378-8039 - Fax: (031) 238 1870. RESUMO O trabalho enfoca um estudo de otimização do processo da coagulação, empregando sulfato de alumínio e cloreto férrico como coagulantes primários, de duas águas naturais afluentes às estações de tratamento da cidade de Caeté, que potabilizam vazões da ordem de 80 e 24 l/s cada uma. na primeira etapa do trabalho, concomitante ao armazenamento das águas de estudo, efetuou-se - por intermédio de um software específico - a determinação dos parâmetros hidráulicos concernentes às unidades de mistura rápida, floculação e decantação das respectivas instalações potabilizadoras. De posse destes parâmetros, realizaram-se os ensaios em reatores estáticos de 2,0 litros objetivando a elaboração dos diagramas de coagulação, para posterior definição das dosagens adequadas para cada coagulante. Foram elaborados oito diagramas de coagulação, quatro para cada coagulante, em função da cor aparente e turbidez remanescentes. A partir da definição das dosagens dos sais e do alcalinizante e dos custos de cal, sulfato de alumínio e cloreto férrico, estimou-se o custo total dos produtos químicos envolvidos no processo de coagulação. Concluiu-se que, apesar de um aumento no custo global dos coagulantes da ordem de 60 % e da pequena diferença nas eficiências, a elevação da qualidade da água decantada, o baixo consumo de alcalinizante e a menor geração de lodo justificam o emprego do cloreto férrico para as duas unidades potabilizadoras, durante o período de estiagem quando se verifica elevação significativa da cor aparente de ambas águas. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Água, Coagulação, Floculação. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1365
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INTRODUÇÃO O abastecimento de água da cidade de Caeté, população da ordem de 38 mil habitantes, efetua-se por intermédio de 05 captações, 03 das quais convergem para estação de tratamento Vila das Flores e as restantes para a estação do Jacu. As estações de tratamento potabilizam ao longo do ano uma vazão média da ordem de 104 l/s, 80 dos quais pela estação de Vila das Flores. Durante o período de estiagem as características das águas afluentes às estações têm freqüentemente dificultado a potabilização. Neste período o efluente destas unidades apresenta, por vezes, turbidez e cor acima do padrão recomendado e, mesmo que análises até o momento não tenham detectado presença de coliformes e estreptococos, há o risco do aparecimento de doenças de origem hídrica. Neste contexto iniciou-se, no primeiro semestre de 1996, um trabalho conjunto entre a UFMG e o SAAE de Caeté visando avaliar, em primeira instância, as condições da adutora principal da cidade. Finalmente realizou-se a adequação do processo de coagulação às características da água bruta afluente às unidades potabilizadoras, objetivando atender às recomendações do padrão de potabilidade vigente e preservar a saúde da população abastecida. OBJETIVO O trabalho objetiva avaliar a influência de dois tipos usuais de coagulantes primários, sulfato de alumínio e cloreto férrico, empregados na coagulação de diferentes tipos de águas naturais, afluentes a estações convencionais de médio porte, para coagulação realizada no mecanismo de varredura e alta velocidade de sedimentação. Fatores Intervenientes no Processo de Coagulação Diversos fatores interferem em maior ou menor monta no processo de coagulação. Dentre os principais fatores intervenientes destacam-se o ph e a alcalinidade da água bruta, a natureza das partículas coloidais, o tamanho das partículas causadoras da turbidez, a adequação do coagulante à água bruta e a uniformidade da dispersão dos produtos químicos. Em menor grau podem também ser arrolados a concentração e a idade da solução de coagulante, a temperatura e, para o mecanismo de adsorsão, o gradiente de velocidade e o tempo de agitação da mistura rápida. Quando a coagulação se efetua com sais de ferro ou de alumínio, independente do mecanismo predominante, o ph assume importante papel na prevalência das espécies hidrolisadas do coagulante. Já a alcalinidade da água bruta, natural ou artificial, indica a sua capacidade tampão, que minimiza a queda acentuada do ph de coagulação. Tal fato adquire maior relevância - para coagulação realizada no mecanismo da varredura - quando o coagulante empregado é o sulfato de alumínio, pois o mesmo apresenta um espectro de variação mais restrito do ph de coagulação para a formação do hidróxido, comparado ao cloreto férrico. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1367
As impurezas presentes na água, em função de sua natureza e dimensões, podem se apresentar na forma coloidal, dissolvida ou suspensa, conferindo turbidez e/ou cor verdadeira às águas naturais. A predominância de uma ou outra característica influenciará significativamente a coagulação, quer na dosagem de coagulante, quer no ph de coagulação. Para a coagulação realizada no mecanismo da varredura, a formação dos flocos é fruto do envolvimento das partículas coloidais com o precipitado. Dessa forma, o tamanho das mesmas influenciará significativamente a densidade e a velocidade de sedimentação dos flocos. Geralmente verifica-se que a densidade dos flocos é inversamente proporcional ao tamanho das partículas primárias da suspensão. Essa relação é ainda mais definida em função das características físicas da água bruta, apresentando-se mais marcante para águas de cor elevada (TAMBO & FRANÇOIS, 1991). Definição do Tipo de Coagulante A definição do coagulante freqüentemente pauta-se em fatores de ordem econômica, relacionados à adequabilidade à água bruta, à tecnologia de tratamento, ao custo e à preservação dos tanques e dosadores. Ao longo das últimas décadas diversos sais têm sido utilizados como coagulantes, basicamente sais de ferro e alumínio, e, mais raramente, os polímeros orgânicos são também empregados como coagulantes primários. Recentemente tem sido estudada a alternativa da aplicação do cloreto de polialumínio, com bons resultados na remoção de cor para amplo espectro de ph de coagulação (DEMPSEY, 1984). A comparação entre a eficiência dos coagulantes mais usuais, sulfato de alumínio e cloreto férrico, alicerça-se, para as estações convencionais, na dosagem e na amplitude do ph para a formação do precipitado. Águas turvas e de baixa alcalinidade via de regra hão de coagular melhor com cloreto férrico, pois o precipitado pode se formar mesmo com baixo ph. Contudo, a adição de cal e, se possível, o emprego de polímeros como auxiliares de coagulação podem tornar o sulfato de alumínio passível de ser empregado com sucesso. Desta forma, a definição do tipo de coagulante deve basear-se na eficiência de cada coagulante, no custo global dos produtos químicos envolvidos na coagulação e, em alguns casos, no volume de lodo gerado. Metodologia do Trabalho Experimental Os coagulantes foram testados para duas águas naturais, afluentes às estações de tratamento da cidade de Caeté-MG. Os parâmetros de ensaio, obtidos a partir das características físicas de cada estação, foram determinados por intermédio de um software (LIBÂNIO, 1996) de avaliação dos parâmetros hidráulicos intervenientes nas operações unitárias usuais no tratamento de água. Para definição das dosagens ótimas de coagulante, obtidas a partir dos diagramas de coagulação, empregou-se o aparelho de Jar-Test disponível na estação de Vila das Flores. Inicialmente aferiu-se a rotação dos agitadores em relação à preconizada pelo fabricante. Em seguida determinou-se a equação relacionando a rotação da paleta do agitador ao gradiente de velocidade aplicado à massa líquida. Para tal empregou-se a equação (1) (MENDES, 1989) : 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1368
log N = 0,6242 + 0,6696 log G (1) na qual: N: rotação (rpm); G: gradiente de velocidade (s?1 ). O gradiente de velocidade determinado a partir da equação (1) foi acrescido em 9 %, em função das diferentes geometrias dos agitadores do aparelho de Jar-Test utilizado e dos reatores estáticos empregados naquela pesquisa. As águas naturais empregadas nos ensaios foram coletadas nos respectivos mananciais e armazenadas em uma caixa de cimento amianto de 500 litros, revestida com lama asfáltica. As soluções de cloreto férrico, sulfato de alumínio e cal foram preparadas com a própria água efluente dos filtros da estação, com concentração de 1,0 % para os sais e 0,5 % para o alcalinizante. Em todas etapas do trabalho experimental, a eficiência da floculação foi aferida em termos de remoção de cor aparente e turbidez. As características das águas naturais, afluentes às duas estações, empregadas no estudo são apresentadas na Tabela 1: TABELA 1: Características das águas naturais empregadas no trabalho experimental. Origem Turbidez (ut) Cor Aparente (uc) Temperatura ( C) ph Alcal. Total (mg/l CaCO3) Tipo I 25 ± 5 190 ± 10 22,0 6,9 ± 0,1 16,0 Tipo II 14-15 80 21,0 7,6 32,0-34,0 Resultados dos Ensaios de Otimização e Análise de Custo A partir das características físicas das estações de Vila das Flores e do Jacu, das vazões médias afluentes - 80 e 24 l/s, respectivamente - e com o emprego do software, determinaram-se os parâmetros hidráulicos concernentes às principais operações unitárias do tratamento. Tais parâmetros nortearam, posteriormente, a definição dos principais parâmetros utilizados durante o trabalho experimental, arrolados na Tabela 2: TABELA 2: Parâmetros de ensaio empregados no trabalho experimental. Água Mistura Rápida Floculação Sedimentação Tipo I Tmr = 30 s Tf = 26 min Vsc = 6,0 cm/min Gmr = 130 s?1 Gf = 53, 39, 30 s?1 Tipo II Tmr = 30 s Tf = 8,0 min Vsc = 3,0 cm/min Gmr = 130 s?1 Gf = 30 s?1 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1369
Os ensaios de floculação para água tipo I foram realizados efetuando-se a redução do gradiente de velocidade ao longo de sua duração. Tal se justifica pelo fato da estação de Vila das Flores apresentar um par de floculadores Alabama com aberturas de diâmetro crescente ao longo das 12 câmaras. O tempo de floculação adotado foi idêntico ao tempo de detenção teórico, devido ao número de câmaras e pequeno efeito de curto-circuito (LIBÂNIO, 1995). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1370
A unidade de floculação da estação do Jacu, para a qual aflui a água tipo II, é do tipo Cox, dotada de 5 câmaras, com aberturas de mesmas dimensões alternadas verticalmente. Desta forma, os ensaios efetuaram-se com gradiente de velocidade constante e reduziu-se em 30 % o tempo de floculação em relação ao teórico, da ordem de 11,5 min. As velocidades de sedimentação empregadas no trabalho experimental foram duplicadas em relação às teóricas. Tal se deveu aos inevitáveis efeitos de curto-circuito e às elevadas vazões lineares nas calhas de coleta de água decantada das unidades de decantação de ambas estações. Após a realização dos ensaios, elaboraram-se 8 diagramas de coagulação para cloreto férrico e sulfato de alumínio, em termos de remoção de cor aparente e turbidez. Desta forma, foram definidas as dosagens ótimas dos coagulantes para as duas águas naturais. Tais resultados são apresentados nas tabelas 3 e 4, juntamente com a eficiência auferida em termos de remoção de turbidez e cor aparente. TABELA 3: Resultados dos ensaios realizados com cloreto férrico. Água Dosagem (mg/l) Cal (ml/l) ph de coagulação Remoção de Cor Aparente (%) Remoção de Turbidez (%) Água Tipo I 22 ± 2,0 1,0 ± 0,5 6,3 ± 0,3 97 88 Água Tipo II 12 ± 2,0 0,5 6,9 ± 0,1 97 82 TABELA 4: Resultados dos ensaios realizados com sulfato de alumínio. Água Dosagem (mg/l) Cal (ml/l) ph de coagulação Remoção de Cor Aparente (%) Remoção de Turbidez (%) Água Tipo I 46 ± 2,0 6,0-7,0 8,2-8,4 92 83 Água Tipo II 33 ± 3,0 1,0-1,5 7,1-7,4 94 82 A partir dos resultados contidos nas tabelas 3 e 4 e dos custos de cal, sulfato de alumínio e cloreto férrico, estimou-se o custo total dos produtos químicos envolvidos no processo de coagulação. A Tabela 5 apresenta esse custo global diário, calculado para as vazões médias afluentes às estações de Vila das Flores e do Jacu. Esta análise também contempla o consumo de cal hidratada para correção do ph. TABELA 5: Estimativa do custo global diário com o consumo de produtos químicos empregados na coagulação. Coagulante Estação de Vila das Flores Estação do Jacu Cloreto férrico R$ 136 R$ 23 Sulfato de alumínio R$ 82 R$ 16 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1371
CONCLUSÕES Apesar de um aumento no custo global dos coagulantes da ordem de 60 % e da pequena diferença nas eficiências, a elevação da qualidade da água decantada, o baixo consumo de alcalinizante e a menor geração de lodo recomendam o emprego do cloreto férrico para as duas unidades potabilizadoras. Verificou-se, ao longo do trabalho experimental, que a velocidade de formação dos flocos de cloreto férrico é significativamente superior em relação ao sulfato de alumínio. Desta forma, a ampliação das unidades de floculação devido a um eventual aumento da vazão afluente à estação de Vila das Flores poderia ser postergada com o emprego do cloreto férrico. Na mesma vertente, o emprego deste sal adiará também a necessária construção de 2 novas unidades filtrantes - as existentes ora operam com taxas de 205 a 267 m³/m².dia - e aumentará a duração das carreiras. Haverá, todavia, necessidade do emprego de cal secundária, objetivando elevar o ph da água filtrada. Vale enfatizar que as demais unidades responsáveis pelas operações unitárias do tratamento estão operando dentro dos parâmetros usuais, devendo-se corrigir apenas a atual desuniformidade na coleta de água decantada em ambos decantadores, bem como a distribuição da água floculada em uma das unidades. Para a estação do Jacu, as providências imediatas referem-se à unidade de floculação. Atualmente, o gradiente de velocidade nas passagens é ligeiramente superior ao verificado no interior da câmara. Desta forma, recomendou-se primeiramente o alisamento do acabamento das aberturas entre as sucessivas câmaras, objetivando reduzir o coeficiente de atrito nas passagens. Verificou-se também a necessidade da construção de novas câmaras de floculação, uma vez que o tempo teórico de detenção é inferior a 12 min, para a vazão afluente de 24 l/s. De forma idêntica à estação de Vila das Flores, recomenda-se o emprego do cloreto férrico para os meses de estiagem, período de maiores reclamações dos usuários em relação à cor aparente da água filtrada. Os ensaios apontaram para remoção de 97 % na cor aparente na água decantada, com consumo praticamente nulo de alcalinizante. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. DEMPSEY, B. A. et al. - The Coagulation of Humic Substances by Means of Aluminium Salts, JAWWA, vol.76, n.4, p:141, april 1984. 2. LIBÂNIO, M.; CAMPOS, A.C. ; MEDEIROS, M.J. ; SANTOS, R.F. ; HELLER, L. - Programa Computacional de Avaliação Hidráulica de Estações de Tratamento de Água, III Simpósio Ítalo-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, resumos, Gramado, RS, junho de 1996. 3. LIBÂNIO, M. - Adequações de Estações de Tratamento de Água Alicerçadas nos Diagramas de Coagulação, Revista BIO, ano IV, n.2, p.34-40, maio/setembro 1995. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1372
4. MENDES, C.G.N. - Estudo da Coagulação e Floculação de Águas Sintéticas e Naturais com Turbidez e Cor Variáveis, Tese de Doutorado, EESC-USP, São Carlos, SP, dezembro 1989. 5. TAMBO, N. & FRANÇOIS, R.J. - Mixing, Breakup and Floc Characteristics in: AWWA - Mixing in Coagulation and Floculation, Ed.AWWA Research Foundation, p.256-81, USA, 1991. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1373