EFICIÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE COAGULANTES NA COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO DE ÁGUA COM COR ELEVADA E BAIXA TURBIDEZ

EFICIÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE COAGULANTES NA COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E SEDIMENTAÇÃO DE ÁGUA COM COR ELEVADA E BAIXA TURBIDEZ Gerson Pavanelli Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Paraná UFPR. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). Engenheiro de Projetos da SA- NEPAR. Luiz Di Bernardo (*) Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP). Endereço (*): Departamento de Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos USP - Av. Trabalhador São-Carlense, 0 - São Carlos - São Paulo - Brasil - CEP : 13 66- Brasil - Fone : + 16 273-928 ; Fax: + 16 273-9 - E-mail: bernardo@sc.usp.br RESUMO A proposta deste trabalho foi utilizar quatro diferentes coagulantes, sulfato de alumínio, cloreto férrico, hidroxicloreto de alumínio e sulfato férrico, visando a construção dos diagramas de coagulação para cada um deles e verificar as regiões de remoção eficiente de turbidez para duas velocidades de sedimentação. Para permitir uma avaliação de custos na utilização dos coagulantes, observou-se em cada diagrama, a região na qual os valores de cor aparente remanescente eram aproximadamente iguais. Com essa consideração, foi estabelecida a relação entre consumo e custo dos produtos químicos utilizados. Para a água estudada, concluiu-se que o cloreto férrico mostrou-se mais econômico e o hidroxicloreto de alumínio mais eficiente numa ampla faixa do ph de coagulação. Para águas com outras características, recomenda-se a realização de um estudo similar, contemplando os coagulantes disponíveis no mercado. Palavras-Chave: tratamento de água; coagulação; floculação; sedimentação; custo de produtos químicos. INTRODUÇÃO Diversos fatores têm contribuído para a degradação da natureza de forma indiscriminada, seja pelo lançamento de resíduos líquidos domésticos ou industriais nos cursos d água, seja pela substituição da mata ciliar por plantações agrícolas, visando a ampliação da área de cultivo. Este procedimento, dentre outros grandes prejuízos ambientais, gera um aumento significativo da turbidez e cor da água dos mananciais, piorando sua qualidade com maior variedade de componentes químicos, físicos e biológicos, dificultando e encarecendo seu tratamento. É fundamental que pesquisadores da área de saneamento se envolvam com esta gama de variáveis que influenciam diretamente a qualidade da água, propiciando seu efetivo tratamento para o consumo dos seres humanos. Um dos primeiros passos no processo de tratamento da água do manancial é a coagulação química. Dada a importância desse processo na estação de tratamento (ETA), tornam-se imprescindíveis estudos mais aprofundados sobre os diversos tipos de coagulantes. Caso esta etapa não seja realizada eficientemente, as demais serão prejudicadas, a ponto de, em certas situações, ser necessário o descarte de toda a água tratada da ETA. A coagulação consiste nas reações de hidrólise que ocorrem quando se 1

adiciona o coagulante na água e posterior transporte das espécies hidrolisadas para que se encontrem com as partículas a serem desestabilizadas. Este trabalho visa investigar a eficiência de alguns tipos de coagulantes aplicados ao tratamento de água, reiterando que é de suma importância a atuação eficaz do coagulante químico que exerce influência direta em todas as etapas posteriores do tratamento. Foram utilizados os seguintes tipos de coagulantes: Sulfato de Alumínio, Cloreto Férrico, Hidróxicloreto de Alumínio e Sulfato Férrico. Nestes experimentos foram determinados alguns parâmetros da coagulação química, pois estes definem a melhor ou pior qualidade da água tratada, e foi realizada uma comparação dos custos dos compostos químicos utilizados. Para cada coagulante químico foram obtidas as dosagem convenientes utilizando-se o diagrama de coagulação. MATERIAIS E MÉTODOS Equipamentos e Materiais Utilizados Foram utilizados os seguintes equipamentos: jarteste, fornecendo gradiente de velocidade entre a 00 s -1 ; potenciômetro digital; turbidímetro nefelométrico; Zetâmetro acoplado a microcomputador; balança eletrônica; agitador mecânico acoplado a eixo vertical com paletas e recipiente em acrílico com capacidade para 2 litros para preparação da suspensão mãe de caulinita. Os coagulantes estudados foram os seguintes: Sulfato de alumínio líquido a %; Cloreto férrico líquido a %; Hidróxicloreto de alumínio Al n (OH) m Cl 3n-m sólido; Sulfato férrico granular. Além dos coagulantes, foram usadas soluções de ácido sulfúrico a 0,03N, de ácido clorídrico a 0,1N e de hidróxido de sódio a 0,1N; ácido húmico (da ALDRICH Chemical Company Inc - USA); caulinita (da FISHER Scientific Company - New Jersey); água destilada. Preparo da Água A partir de água do poço d EESC/USP foi preparada a água de estudo, com elevada cor verdadeira e baixa turbidez, e armazenada em reservatório de plástico de 00 L. Neste reservatório foi então adicionada gradativamente a solução de ácido húmico e homogeneizada manualmente e, em seguida, era coletada uma amostra para que fosse medida a cor verdadeira. A cor verdadeira foi medida diversas vezes para que não ultrapassasse o valor limite de 0 uc. Foram aguardados dias para sua estabilização, isto é, até que não fossem observadas alterações significativas nos parâmetros da água de estudo neste período, conforme tabela 1. TABELA 1 Características das águas de estudo. Característica Valor Cor Aparente (uh) 1 Cor Verdadeira (uh) 2 Turbidez (ut) 6, ph com agitação/sem agitação 7,/7,9 Alcalinidade (mg CaCO 3 /L) Condutividade a 2 0 C (µs/cm) Dureza (mg CaCO 3 /L),2 Ensaios no Equipamento de Jarteste Os ensaios no equipamento estático foram feitos de acordo com os procedimentos: Colocar a solução do coagulante nas cubetas de acordo com dosagem pré-estabelecida; Colocar a solução do acidificante ou do alcalinizante dentro dos jarros; Ligar o aparelho e descer as paletas de forma a agitar um pouco os jarros, para misturar o acidificante e ou o alcalinizante, antes de adicionar o coagulante; Agitar a água de estudo da caixa para retirada da quantidade necessária a realização de um ensaio; 2

Coletar em um balde de a 2 litros, e em seguida ajustr a temperatura da água para 2 C, utilizando-se ebulidor ou garrafa de plástico contendo água congelada; Colocar a água do balde nos jarros em quantidades de forma que os dois litros sejam completados em três ou quatro vezes; Ajustar a rotação da mistura rápida (Gmr), e o cronômetro no mesmo instante em que é adicionado o coagulante e manter a mistura pelo tempo T mr ; Baixar a rotação após o Tmr para obtenção do valor de Gf previamente estipulado; Desligar o equipamento após Tf (no cronômetro o tempo registrado é Tmr + Tf); Fazer uma tabela de tempos correspondentes às coleta dos sobrenadantes antecipadamente, para realizá-las de acordo com as velocidades de sedimentação definidas (a tomada de amostra no jarro está localizado 7 cm abaixo da superfície da água); Iniciar (com o tempo calculado para Vs 1 ) a coleta considerando 12 s antes e s depois, ou seja, 2 s servem para descartar o conteúdo do tubo de coleta (tempo de coleta da amostra igual a s); Substituir os recipientes de coleta para cada velocidade de sedimentação definida; Medir os parâmetros desejados (ph e Cor aparente da amostra nas cubetas de coleta). Parâmetros de Controle e Freqüência de Medição Os seguintes parâmetros foram medidos durante a execução do trabalho experimental: cor aparente (água de estudo e água decantada), cor verdadeira (água de estudo), alcalinidade e condutividade. A freqüência adotada é apresentada na Tabela 2. A temperatura da água foi fixada na faixa de 2±1 C utilizando-se ebulidor elétrico para aumentá-la, ou, garrafa de plástico de 2 litros contendo água congelada para diminuí-la. TABELA 2 Parâmetros da água de estudo e dos sobrenadantes monitorados durante os experimentos. Parâmetro Freqüência ph Diariamente da água de estudo e dos sobrenadantes nos ensaios Temperatura Diariamente e durante os ensaios Alcalinidade Cor Aparente Cor Verdadeira Condutividade Diariamente Diariamente da água estudo e dos sobrenadantes nos ensaios Diariamente Semanalmente Construção dos Diagramas de Coagulação Os ensaios de coagulação, floculação e sedimentação foram executados em equipamento de jarteste, com possibilidade de se ter, na mistura rápida, gradiente de velocidade de até 2 000 s -1. As condições para a realização dos ensaios foram as seguintes: mistura rápida (Tmr = s, Gmr = 00 s -1 ); floculação (Gf = s -1 ; Tf = min); velocidade de sedimentação (Vs 1 = 2 cm/min; Vs 2 = 1 cm/min). De posse dos dados de cor aparente e do ph de coagulação, foram construídos os diagramas de coagulação, nos quais encontram-se assinalados os pontos dados pelos par de valores dosagem do coagulante (no eixo das ordenadas) x ph de coagulação (eixo das abcissas), apresentando os valores de cor aparente remanescente. Por meio de interpolação eletrônica, foram construídas as curvas de mesma cor aparente remanescente para as duas velocidades de sedimentação consideradas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Diagrama de Coagulação para o Sulfato de Alumínio Nas Figuras 1 e 2 são apresentados os diagramas de coagulação para o sulfato de alumínio, nos quais se têm as curvas de mesma cor aparente remanescente, para as velocidades de sedimentação de 2 e 1 cm/min. Os resultados encontrados neste estudo para Vs = 2 cm/min, são mostrados na Figura 1, com as regiões de melhor desempenho sendo delimitadas pelas curvas com valores de cor aparente remanescente de uh e uh. Para tais regiões, respectivamente, os valores 3

de ph e dosagens são: na primeira região, valores de ph entre 6,4 a 6,8 e de dosagens de 2 mg/l a 2 mg/l do produto comercial líquido; a segunda região, pontual, com ph entre 6,7 e 6,8 e dosagens de 1 mg/l a 190 mg/l do produto comercial líquido. No caso do diagrama (ver Figura 2) correspondente à velocidade de sedimentação de 1 cm/min, notam-se as regiões delimitadas pelas curvas dos valores de cor aparente remanescente de uh e uh. Para as regiões da curva com valor de uh, os valores de ph e dosagens são: ph entre 6,2 a 7,2 e dosagens de 2 mg/l a valores maiores que 3 mg/l do produto comercial líquido. Nas duas figuras foi feita a correlação entre a dosagem do produto comercial líquido e a de alumínio. DOSAGEM DE SULFATO DE ALUMÍNIO 3 3 3 0 2 2 2 0 1 1 1 1 0 16.. 14. 13. 12. 11.. 9.90 9.00 8. 7. 6.. 4. DOSAGEM DE ALUMÍNIO (mg de Alumínio/l) 3.....90 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. FIGURA 1. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) 3 16. DOSAGEM DE SULFATO DE ALUMÍNIO 3 3 0 2 2 2 0 1 1 1. 14. 13. 12. 11.. 9.90 9.00 8. 7. 6. DOSAGEM DE ALUMÍNIO (mg de Alumínio/l) 1. 0 4....90 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. FIGURA 2. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 1 cm/min) 3. 4

Diagrama de Coagulação para o Cloreto Férrico Para o gráfico da Figura 3, com Vs = 2cm/min, a região com menores valores de cor aparente remanescente está delimitada pela curva com valor de uh, definida para valores de ph entre,87 e 6,26 e dosagens de cloreto férrico líquido comercial entre 1 e 2 mg/l. No caso do diagrama da Figura 4, correspondente à velocidade de sedimentação de 1 cm/min, nota-se que a região com menores valores de cor aparente remanescente está delimitada pela curva com valor de uh, definida pelos valores de ph entre, e 7,23 e dosagens de cloreto férrico líquido comercial entre 1 e mg/l. Em ambas figuras foi feita a correlação entre a dosagem do produto comercial líquido e a de ferro. 3 0 43..9 DOSAGEM DE CLORETO FÉRRICO 2 2 2 0 1 1 1 1 0 37.88.18 32.47 29.77 27.06 24. 21.6 18.94 16.24 13.3.82 8.12.41 DOSAGEM DE FERRO (mg de Ferro/l)....90 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7.90 7. FIGURA 3. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Cloreto Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) 3 0 43..9 DOSAGEM DE CLORETO FÉRRICO 2 2 2 0 1 1 1 0 1....90 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. FIGURA 4. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Cloreto Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 1 cm/min) 37.88.18 32.47 29.77 27.06 24. 21.6 18.94 16.24 13.3.82 8.12.41 DOSAGEM DE FERRO (mg de Ferro/l) Diagrama de Coagulação para o Hidroxicloreto de Alumínio Para o gráfico da Figura, com Vs = 2cm/min, a região com menores valores de cor aparente remanescente está delimitada pela curva com valor de uh, definida por valores de ph entre 6,48 e 7,17 e dosagens de hidroxicloreto de alumínio sólido comercial entre 2 e valores maiores que 3 mg/l. No caso do diagrama da Figura 6, correspondente à velocidade de sedimentacão de 1 cm/min, nota-se que a região com menores valores de cor aparente remanescente está delimitada pela curva com valor de uh, definida por valores de ph entre 6, e 7,12, e dosagens de hidroxicloreto de

alumínio sólido comercial entre 2 e 3 mg/l. Em ambas figuras foi feita a correlação entre a dosagem do produto comercial e a de alumínio. 3 0 28.461 26.682 DOSAGEM DE HIDROXICLORETO DE ALUMÍNIO 2 2 2 0 1 1 1 1 0 24.903 23.124 21.34 19.67 17.788 19 14.2 12.41.673 8.894 7.1.336 3.8 DOSAGEM DE ALUMÍNIO (mg de Alumínio/l) 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7.90 8. 8.00 FIGURA. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Hidroxicloreto de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) 8. 8. 8. 8. DOSAGEM DE HIDROXICLORETO DE ALUMÍNIO 3 0 2 2 2 0 1 1 1 1 0 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7.90 8.00 8. 8. 8. 8. 8. 28.461 26.682 FIGURA 6. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Hidroxicloreto de Alumínio Comercial e ph de Coagulação (Vs = 1 cm/min) 24.903 23.124 21.34 19.67 17.788 19 14.2 12.41.673 8.894 7.1.336 3.8 8. DOSAGEM DE ALUMÍNIO (mg de Alumínio/l) Diagrama de Coagulação para o Sulfato Férrico Para o gráfico da Figura 7, com Vs = 2cm/min, as regiões com menores valores de cor aparente remanescente são delimitadas pelas curvas com valor de uh, definidas para valores de ph entre 6, e 7,48 e dosagens de sulfato férrico granular comercial entre mg/l e 2 mg/l. No caso do diagrama da Figura 8, correspondente à velocidade de sedimentacão de 1 cm/min, as regiões com menores valores de cor aparente remanescente são delimitadas pelas curvas com valor de uh, definidas para valores de ph entre 4,7 e 7,18, e dosagens do coagulante sulfato férrico comercial, desde valores abaixo de mg/l até cerca de 2 mg/l. Em ambas figuras foi feita a correlação entre as dosagens do produto comercial e o ferro. 6

DOSAGEM DE SULFATO FÉRRICO 0 2 2 2 0 1 1 1 1 0 90 0 4. 4. 4. 0 90 90 0 4. 4. 4. 4.90 0 90 0.00 0... 0 90 0 0......90 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 FIGURA 7. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 2 cm/min) 7. 7. 7. 7. 7. 61. 7. 3. 49. 4. 41.00 36.90 32. 28. 24.. 16. 12. 8. 4. 7. DOSAGEM DE FERRO (mg de Ferro/l) DOSAGEM DE SULFATO FÉRRICO 0 2 2 2 0 1 0 1 1 1 4. 4. 4. 4. 4. 4. 4.90.....00.....90 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6. 6.90 7. 7. 7. 7. 7. 7. 61. 7. 3. 49. 4. 41.00 36.90 32. 28. 24.. 16. 12. 8. 4. DOSAGEM DE FERRO (mg de Ferro/l) Figura 8. Curvas de mesma Cor Aparente Remanescente em Função da Dosagem de Sulfato Férrico Comercial e ph de Coagulação (Vs = 1 cm/min) Comparação de Custos Os custos dos coagulantes e do alcalinizante (ver Tabela 3) foram fornecidos pelo setor de Aquisição de Materiais (USMA) da Companhia de Saneamento do Paraná SANEPAR, com exceção do Hidroxicloreto de Alumínio, cujo preço foi fornecido pelo representante da Indústria PAN AMERICANA S.A. TABELA 3 Preços dos coagulantes e do alcalinizante DESCRIÇÃO DO COAGULANTE POSTO EM PREÇO POR TONELADA CURITIBA/PR (R$) US$ (*) Sulfato de Alumínio Líquido 137,00 68,84 Cloreto Férrico líquido 290,00 14,73 Hidróxicloreto de Alumínio 0,00 1,1 Sulfato Férrico 0,00 0, Hidróxido de sódio 6,00 336,68 (*) valor considerado para o dólar fev/01 - R$ 1,99. 7

Foram selecionados pontos nos diagramas de coagulação, dados pelos pares de valores dosagem de coagulante x ph de coagulação, de modo que a cor aparente remanescente resultasse inferior a uh para Vs = 2 cm/min e inferior a uh para Vs = 1 cm/min., para os quais foi efetuada a comparação de custos. Na Tabela 4 são apresentados os dados correspondentes à velocidade de sedimentação de 2 cm/min, enquanto, na Tabela, têm-se os dados relativos à velocidade de sedimentação de 1 cm/min. TABELA 4 Comparação de Custos para Vs =2cm/min e Cor aparente remanescente uh COAGULANTE ph DE DOSAGEM DE DOSAGEM DE CUSTO TOTAL COAGULAÇÃO COAGULANTE ALCALINIZANTE POR 00 m 3 (mg/l) (mg/l) Real (R$) Dólar (U$) Sulfato de Alumínio Líquido 6, 2 37,41,36 Cloreto Férrico Líquido 6,90 90 39, 19,8 Hidróxicloreto de Alumínio 6, 11,37 27,82 Sulfato Férrico Líquido 7,00 1 47 7,49 28,89 TABELA Comparação de Custos para Vs = 1cm/min e Cor aparente remanescente uh COAGULANTE ph DE DOSAGEM DE DOSAGEM DE CUSTO TOTAL COAGULAÇÃO COAGULANTE ALCALINIZANTE POR 00 m 3 (mg/l) (mg/l) Real (R$) Dolar (U$) Sulfato de Alumínio Líquido 6,9 2 44 66,67 33, Cloreto Férrico Líquido 6, 6, 21,76,93 Hidróxicloreto de Alumínio 6, 6,,36,28 Sulfato Férrico Líquido 6, 22,74,4 CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: a) O diagrama de coagulação constitui-se numa ferramenta de grande utilidade para definir as regiões eficientes de coagulação, nos quais se tem valores da cor aparente remanescente, após floculação e sedimentação, condizente com os valores desejáveis para que a filtração funcione apropriadamente; b) Pode-se conseguir grande redução de custos de produtos químicos para o tratamento de água, quando se estuda, com os coagulantes disponíveis, os intervalos de ph e dosagens utilizando-se os diagramas de coagulação; c) Comparando os diagramas de coagulação para os diversos coagulantes estudados, verificou-se que nem sempre grandes dosagens proporcionam grande remoção de cor aparente; d) Com o uso de hidróxicloreto de alumínio, a coagulação resultou eficiente em ampla faixa de ph, fornecendo sobrenadante de aproximadamente a mesma cor aparente para as velocidades de sedimentação estudadas; e) Dentre os coagulantes estudados, o cloreto férrico resultou em menor custo para se obter a mesma cor aparente remanescente da água decantada para as duas velocidades de sedimentação consideradas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Amirtharajah, A.; Mills, K. M. (1982) Rapid Mix Design For Mechanisms Of Alum Coagulation. Journal Of The American Water Works Association V. 74, n. 4, p. 2-216. Brito, S.A. (1998) Influência da velocidade de sedimentação na determinação dos coeficientes de agregação e ruptura durante a floculação Dissertação Mestrado EESC-USP, São Carlos, Brasil. Di Bernardo, L. (1993) Métodos e técnicas de tratamento de água Rio de Janeiro: ABES, V. I e II. Pavanelli, G. (01) Eficiência de Diferentes Tipos de Coagulantes na Coagulação, Floculação e Sedimentação de Água com Cor e Turbidez Elevada Dissertação de Mestrado EESC-USP, São Carlos, Brasil. 8