22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina

22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina I-075 APLICAÇÃO DE POLÍMEROS CATIÔNICOS EM CONJUNTO COM COAGULANTES INORGÂNICOS COMO AUXILIARES DE COAGULAÇÃO PARA A OTIMIZAÇÃO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA Sidney Seckler Ferreira Filho(1) Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Professor Associado do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em Regime de Dedicação Exclusiva à Docência e Pesquisa. Ricardo Lazzari Mendes Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP). Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Engenheiro Consultor da ENGECORPS Engenheiros Consultores S/C Ltda e Professor da Universidade Camilo Castelo Branco. Paulo Henrique Sinelli Engenheiro Civil pela Universidade Federal de São Carlos. Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Professor da Universidade Camilo Castelo Branco. Marcio José Ishida Cipriani Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da USP. Engenheiro Especialista da Kemwater Brasil S.A. Adilson Nunes Fernandes

Mestre em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Químico da Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP). Departamento de Produção Sul. Divisão do Sistema Guarapiranga. Endereço(1): Av. Professor Almeida Prado, 271 Prédio de Engenharia Civil. EPUSP. Bairro Butantã. Cidade Universitária. São Paulo SP - CEP: 05508-900. Tel.: (11) 3091-5220. Fax.: (11) 3091-5423. e-mail: ssffilho@usp.br RESUMO O tratamento convencional de águas de abastecimento tem por objetivos principais a remoção de material particulado, cor aparente e cor real da fase líquida, bem como garantir a produção de uma água segura do ponto de vista microbiológico. Na etapa de coagulação, os agentes coagulantes mais empregados no tratamento convencional de águas de abastecimento tem sido os sais de alumínio (sulfato de alumínio) e ferro (cloreto férrico e sulfato férrico). Em função das características da água bruta e das peculiaridades da estação de tratamento de água, tem ganho maior aceitabilidade a combinação de coagulantes inorgânicos com polímeros catiônicos como auxiliares de coagulação. Neste trabalho buscou-se avaliar as vantagens (redução da dosagem do coagulante inorgânico, menor geração de lodo seco, desestabilização de partículas coloidais não incorporadas pela precipitação do coagulante metálico) e desvantagens (seu alto custo, necessidade de condução de ensaios experimentais específicos) desta combinação. Em função da degradação da qualidade da água do Reservatório Guarapiranga que, atualmente, encontrase em elevado grau de eutrofização, com conseqüência direta na sua tratabilidade na Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV), a combinação de coagulantes orgânicos e inorgânicos pode trazer grandes benefícios na operação dos processos unitários de jusante, mais diretamente, sobre a etapa de filtração. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados experimentais obtidos para os ensaios em escala de bancada e piloto de coagulação-floculação e filtração conduzidos através da combinação de polímeros catiônicos como auxiliares de coagulação e coagulantes inorgânicos para a água bruta da ETA-ABV. Os estudos realizados indicaram pontos positivos para a utilização desta combinação como a melhoria significativa da eficiência de remoção de microrganismos e diminuição da turbidez da água decantada; a redução de dosagem de coagulante inorgânico (sulfato férrico), sem que houvesse prejuízo à qualidade da água decantada com respeito à remoção de turbidez e microrganismos PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Água, Polímero Catiônico, Coagulantes Inorgânicos, Auxiliares de Coagulação. INTRODUÇÃO O tratamento convencional de águas de abastecimento tem por objetivos principais a remoção de material particulado, cor aparente e cor real da fase líquida, bem como garantir a produção de uma água segura do ponto de vista microbiológico (AWWA (1991)).

Para tanto, uma das operações mais importantes no tratamento de águas de abastecimento é a etapa de coagulação, que tem por objetivo principal garantir que as partículas coloidais sejam desestabilizadas quimicamente a fim de que as mesmas possam ser agregadas de modo eficiente pelo processo de floculação (STUMM et al. (1962)). Tradicionalmente, os agentes coagulantes mais empregados no tratamento convencional de águas de abastecimento tem sido os sais de alumínio (sulfato de alumínio) e ferro (cloreto férrico e sulfato férrico). No entanto, em função das características da água bruta e das peculiaridades da estação de tratamento de água, tem ganho maior aceitabilidade no mercado nacional, a combinação de coagulantes inorgânicos (sais de alumínio e ferro) com polímeros catiônicos, tendo estes a finalidade principal de atuarem como auxiliares de coagulação (MOREL et al. (1993)). As principais vantagens desta combinação de agentes coagulantes estão associadas a provável redução da dosagem do coagulante inorgânico, o que permite uma menor geração de lodo seco, com conseqüentes benefícios de seu tratamento e disposição final, além de permitir a desestabilização de partículas coloidais que não tenham condições de serem incorporadas pela precipitação do coagulante metálico quando da operação do processo de coagulação no mecanismo de varredura (STUMM et al. (1996)). As principais dificuldades associadas à aplicação de polímeros catiônicos como auxiliares de coagulação em conjunto com sais metálicos no tratamento de águas de abastecimento está diretamente associado ao seu alto custo devido ao preço do produto e da necessidade de condução de ensaios experimentais específicos em escala de laboratório e piloto que permitam a definição de qual ou quais polímeros são os mais indicados para a sua aplicação em escala real (DI BERNARDO et al. (1987)). Em função da degradação da qualidade da água do Reservatório Guarapiranga que, atualmente, encontra-se em elevado grau de eutrofização, com conseqüência direta na sua tratabilidade na Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV), a otimização do processo de coagulação mediante a combinação de coagulantes orgânicos e inorgânicos pode trazer grandes benefícios na operação dos processos unitários de jusante, mais diretamente, sobre a etapa de filtração. OBJETIVO O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados experimentais obtidos para os ensaios em escala de bancada e piloto de coagulação-floculação e filtração conduzidos através da combinação de polímeros catiônicos como auxiliares de coagulação e coagulantes inorgânicos para a água bruta proveniente do Reservatório do Guarapiranga e que abastece à Estação de Tratamento de Água do Alto da Boa Vista (ETA-ABV). MATERIAIS E MÉTODOS

Os ensaios experimentais foram divididos em duas etapas distintas, a saber: Etapa 1: Condução de ensaios de coagulação-floculação em escala de laboratório ("jartest") objeivando avaliar o comportamento da combinação de diferentes tipos de polímeros catiônicos juntamente com sulfato férrico como coagulante inorgânico na eficiência de remoção de turbidez e microrganismos na água bruta. Etapa 2: Condução de ensaios de tratabilidade em escala piloto tendo por principal objetivo avaliar o comportamento do processo de filtração na remoção de turbidez, contagem de partículas e microrganismos quando da operação do processo de coagulação combinando-se um polímero catiônico como auxliliar e um sal de ferro como agente coagulante principal. Todos os ensaios de "jar-test" foram conduzidos nas dependências do Laboratório de Pesquisas da SABESP, localizado na Estação de Tratamento de Água de Theodoro Ramos. A condução dos ensaios de coagulação-floculação foram conduzidos tendo-se empregado um conjunto de cinco (05) polímeros catiônicos cedidos pela KEMWATER BRASIL S.A. As suas características principais estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Polímeros catiônicos empregados na condução dos ensaios de bancada de coagulação floculação. Etapa 1. Polímero Marca Comercial Carga Peso Molecular 1 CYTEC CA-2572 Catiônico Baixo 2 CYTEC Catiônico Médio

3 CYTEC CA-2581 Catiônico Alto 4 CYTEC CD-2587 Catiônico Médio 5 CYTEC CD-2592 Catiônico Médio Para cada polímero apresentado na Tabela 1, foram executados três ensaios de "jar-test", tendo-se empregado em cada um destes, três diferentes dosagens de sulfato férrico, sendo estas iguais a 6,0 mg Fe+3/l, 7,5 mg Fe+3/l e 9,0 mg Fe+3/l. Os ensaios de avaliação do comportamento do processo de tratamento de águas de abastecimento atualmente empregado na ETA-ABV mediante a combinação de polímeros catiônicos como auxiliares de processo de coagulação e sulfato férrico foram conduzidos na Estação de Tratamento de Água Piloto situada nas dependências da ETA-ABV (Fotografia 1). Em função dos resultados obtidos quando da condução dos ensaios experimentais em escala de bancada (Etapa 1), decidiu-se que todos os ensaios em escala piloto seriam efetuados com um único polímero catiônico, tendo sido escolhido o produto CYTEC C2577. Foram executadas um total de 10 carreiras de filtração completas, tendo as mesmas as características apresentadas na Tabela 2. Todas as condições operacionais da ETA-Piloto foram mantidas idênticas à ETA-ABV (dosagem de coagulante primário e ph de coagulação). Como um dos objetivos principais dos estudos em escala piloto foi avaliar a eficiência do processo de filtração na remoção de turbidez, contagem de partículas e microrganismos, foram operados um total de três filtros piloto, sendo que dois deles receberam água decantada produzida pela ETA-Piloto (Filtros

F1 e F5) e o terceiro filtro tendo como afluente a água decantada produzida pela própria ETA-ABV (Filtro F2). Tabela 2 Quadro resumo das carreiras de filtração e operação da ETA Piloto conduzidas quando da execução dos ensaios em escala piloto. Etapa 2. Ensaio Coagulante Dosagem (mg/l) Polímero catiônico Dosagem (mg/l) ph de coagulação 1 27,0 2,0 8,5 2 2,0 8,5

3 1,0 8,5 4 1,0 8,5 5 0,5 8,5 6 0,5

8,5 7 1,5 8,5 8 1,5 8,5 9 1,5 6,0 10 1,0

6,0 Fotografia 1 Vista geral da ETA Piloto empregada na execução dos ensaios experimentais APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ETAPA 1 A Figura 1 apresenta um resultado típico dos valores residuais de turbidez da água decantada para os ensaios de coagulação efetuados para diferentes combinações de coagulante inorgânico e polímero catiônico. A Figura 2 apresenta um resultado típico dos resultados de remoção de microrganismos da água bruta para os ensaios de coagulação efetuados para diferentes combinações de coagulante inorgânico e polímero catiônico. Analisando-se os valores de turbidez no sobrenadante, pode-se observar com clareza que, para os ensaios de coagulação-floculação conduzidos sem a aplicação de polímero, os menores valores foram obtidos para a condição de coagulação operada em ph igual 6 quando comparado com os obtidos para valores de ph de coagulação iguais a 8,5. A mesma conclusão também pode ser inferida com respeito à de contagem de microrganismos, que também apresentaram a mesma tendência de melhoria de sua eficiência de remoção da fase líquida com a diminuição do ph de coagulação de valores da ordem de 8,5 para valores próximos de 6,0 a 6,5. Também pode-se observar que, com o aumento da dosagem de coagulante inorgânico aplicado na água bruta, para uma mesma condição de operação do processo de coagulação, há uma melhoria na qualidade da água decantada, o que indica que há uma maior captura de microrganismos durante a precipitação do hidróxido metálico e melhor sedimentabilidade dos flocos formados. As implicações destes resultados na operação da ETA-ABV são significativos, haja visto que, a alteração do ph de coagulação de um valor de 8,5 para 6,5, permitiu uma significativa melhora na qualidade do sobrenadante com relação ao parâmetro turbidez e contagem de microrganismos. Em função dos resultados experimentais obtidos e da disponibilidade dos polímeros catiônicos no mercado nacional, foi definido pela SABESP e KEMWATER que os ensaios em escala piloto (Etapa 2) deveriam ser executadas utilizando-se tão somente o polímero CYTEC.

Figura 1 Valores residuais de turbidez da água decantada para os ensaios de coagulação efetuados para diferentes combinações de coagulante inorgânico e polímero catiônico. Figura 2 Remoção de microrganismos da água bruta para os ensaios de coagulação efetuados para diferentes combinações de coagulante inorgânico e polímero catiônico. ETAPA 2 As Figuras 3 e 4 apresentam resultados típicos de contagem de partículas para a faixa de diâmetros de 2 m m a 10 m m da água bruta, água decantada produzida pela ETA-ABV e ETA-Piloto e água filtrada produzida pelos filtros piloto F1, F2 e F5 e os valores de contagem de microrganismos para a água bruta, água decantada produzida pela ETA-ABV e ETA-Piloto e água filtrada produzida pelos filtros piloto F1, F2 e F5, respectivamente. Figura 3 - Contagem de partículas para a faixa de diâmetros de 2 m m a 10 m m da água bruta, água decantada produzida pela ETA-ABV e ETA-Piloto e água filtrada produzida pelos filtros piloto F1, F2 e F5. Carreira de Filtração 07. Figura 4 - Contagem de microrganismos da água bruta, água decantada produzida pela ETA-ABV e ETA-Piloto e água filtrada produzida pelos filtros piloto F1, F2 e F5. Carreira de Filtração 07. Analisando-se os resultados experimentais obtidos da qualidade do efluente produzido pelos filtros piloto F1, F2 e F5, pode-se observar que, para praticamente todas as carreiras de filtração conduzidas, não houve uma diferença significativa nos seus valores de turbidez da água filtrada. As únicas diferenças observadas na qualidade da água filtrada foram durante o período de maturação dos filtros, tendo estes uma duração de aproximadamente 20 minutos a 30 minutos. De um modo geral, estas diferenças de turbidez da água filtrada observadas para os filtros piloto F1, F2 e F5 podem ser consideradas como não significativas e, assim sendo, não pode-se afirmar que a aplicação do polímero catiônico como auxiliar de coagulação tenha

apresentado vantagens na obtenção de uma qualidade da água filtrada superior à obtida quando comparada com o efluente do filtro F2. Com respeito à qualidade da água decantada, pode-se observar que o número de partículas entre 2 m m a 10 m m situou-se entre 500 a 1.000 por ml, não tendo-se observado diferenças significativas entre a água decantada produzida pela ETA-ABV e a instalação piloto. No entanto, com respeito à contagem de microrganismos, para praticamente todas as carreiras conduzidas pela ETA-Piloto, pode-se observar que o número de microrganismos apresentou-se superior na água decantada produzida pela ETA-ABV quando comparado com a água decantada produzida pela ETA-Piloto. De um modo geral, os valores de contagem de microrganismos para os decantadores da ETA-ABV situaram-se entre 10 e 200 organismos por ml, tendo atingido valores até 500 organismos por ml. Por sua vez, os decantadores da ETA-Piloto, tendo este recebido água coagulada mediante a combinação de polímero catiônico e sulfato férrico, apresentaram valores de contagem de microrganismos que situaram-se na faixa de 5 a 40 organismos por ml, tendo atingidos valores de até 250 organismos por ml. Estes resultados reforçam a importância do controle hidrobiológico da qualidade da água nas unidades componentes da estação de tratamento de água, uma vez que nem sempre é possível através do monitoramento dos parâmetros turbidez e contagem de partículas avaliar indiretamente o número de microrganismos presentes na fase líquida. É importante salientar que os melhores resultados com respeito à qualidade hidrobiológica da água decantada produzida pela ETA-Piloto foram obtidos quando da condução dos ensaios tendo-se produzido água decantada sob condições de operação do processo de coagulação em ph entre 6,0 e 6,5 e dosagens de polímero catiônico entre 1,0 mg/l a 1,5 mg/l (Ensaios 09 e 10). Deste modo, reforça-se a necessidade de operação do processo de coagulação na faixa de ph entre 5,8 e 6,5, a fim de que seja possível garantir a maximização da remoção de microrganismos nos decantadores, o que permitirá, por conseqüência, uma melhor operação do sistema de filtração com respeito à qualidade da água filtrada e evolução de perda de carga. Com respeito à operação dos filtros piloto F1, F2 e F5, pode-se observar que para praticamente todas as carreiras de filtração efetuadas, a contagem de partículas na faixa de 2 m m a 10 m m para a água filtrada situou-se entre 20 a 100 partículas por ml. Analisando-se comparativamente os resultados de contagem de partículas para os filtros piloto F1, F2 e F5, pode-se observar que, para praticamente todas as carreiras de filtração executadas, não houve uma diferença significativa entre os valores para as amostragens efetuadas ao longo da mesma.

Isto significa que, mesmo com a combinação de polímero catiônico combinado com sulfato férrico como coagulante inorgânico, não foi notada uma redução significativa na contagem de partículas na água filtrada produzida pelos filtros piloto F1 e F5 comparado com o filtro piloto F2, tendo este sido alimentado com água decantada produzida pela ETA-ABV. Conforme já dito anteriormente, tal fenômeno foi observado para praticamente todas as carreiras de filtração efetuadas, o que reforça o fato de que, independentemente da dosagem de polímero catiônico, não foram observadas diferenças significativas na qualidade da água filtrada para os filtros F1, F2 e F5 com respeito ao parâmetro contagem de partículas na faixa de 2 m m a 10 m m. No entanto, é justamente nos valores de contagem de microrganismos na água filtrada que evidencia-se de forma significativa as diferenças entre a qualidade da água filtrada produzida pelos filtros F1, F2 e F5. Para todas as carreiras de filtração efetuadas, pôde-se observar que o filtro F2 apresentou um valor de número de microrganismos superiores quando comparado com os obtidos para os filtros F1 e F5, salvo alguns valores esporádicos obtidos para tempos específicos das carreiras de filtração. De acordo com os resultados experimentais obtidos, comparando-se as carreiras 01 a 08, tendo sido conduzidas operando-se o processo de coagulação entre 8,0 e 8,5, pode-se observar que não houve uma diferença significativa da qualidade da água filtrada produzida pelos filtros F1 e F5, o que indica que o seu comportamento com respeito à remoção de microrganismos operou de modo independente da dosagem de polímero catiônico aplicado como auxiliar de coagulação. Deste modo, a aplicação de dosagens de polímero catiônico da ordem de 0,5 mg/l apresentou resultados de qualidade de água filtrada similares às obtidas para as carreiras de operação da ETA-Piloto operadas com dosagens de polímero catiônico de 2,0 mg/l. Em função do exposto, recomenda-se que a aplicação de polímero catiônico como auxiliar de coagulação seja efetuado em dosagens em torno de 0,5 mg/l, uma vez tendo esta produzido excelentes resultados com respeito à remoção de microrganismos. Dado que os parâmetros turbidez e contagem de partículas na faixa de 2 m m a 10 m m não foram capazes de apresentarem as diferenças comportamentais no sistema de filtração composto pelos filtros piloto F1, F2 e F5, tendo sido estas apenas observadas quando da contagem de microrganismos na fase líquida, recomenda-se à SABESP a definição de um extenso programa de monitoramento da qualidade hidrobiológica das operações unitárias componentes da ETA-ABV para fins de avaliação de sua eficiência operacional. CONCLUSÕES

De acordo com os resultados experimentais obtidos pode-se concluir que: Para os ensaios de coagulação-floculação conduzidos sem a aplicação de polímero, os menores valores de turbidez foram obtidos para a condição de coagulação operada em ph igual 6,0 quando comparado com os obtidos para valores de ph de coagulação iguais a 8,5. A mesma conclusão também pode ser inferida com respeito à contagem de microrganismos, que também apresentaram a mesma tendência de melhoria de sua eficiência de remoção da fase líquida com a diminuição do ph de coagulação de valores da ordem de 8,5 para valores próximos de 6,0 a 6,5. Para todos os ensaios de coagulação efetuados tendo-se definido o seu ph na faixa de 8,0 a 8,5, para todas as dosagens de polímero catiônico empregadas, houve uma melhoria significativa da eficiência de remoção de microrganismos e diminuição da turbidez da água decantada. Esta melhoria ocorreu de modo independente da dosagem de polímero catiônico aplicado, podendo-se observar que, para menores dosagens, da ordem de 2,0 mg/l, a sua eficiência de remoção mostrou-se similar aos ensaios realizados com dosagens de polímero catiônico superiores a este valor. Quando da aplicação do polímero catiônico como auxiliar de coagulação, foi possível reduzir a dosagem de coagulante inorgânico (sulfato férrico), sem que houvesse prejuízo à qualidade da água decantada com respeito à remoção de turbidez e microrganismos. Sem a aplicação do polímero catiônico como auxiliar de coagulação, a maior remoção de microrganismos e menores valores de turbidez no sobrenadante foram atingidos com o aumento da dosagem de sulfato férrico, de 6,0 mg Fe+3 /l para 9,0 mg Fe+3 /l. No entanto, mantendo-se a dosagem de sulfato férrico em 6,0 mg Fe+3 /l e combinando-se uma dosagem de polímero catiônico de 2,0 mg/l, foi possível atingir valores de remoção de microrganismos e turbidez da mesma ordem de grandeza e, muitas vezes maior, quando comparado com os mesmos ensaios efetuados sem a aplicação de polímero e dosagem de sulfato férrico de 9,0 mg Fe+3 /l. Os melhores resultados com respeito à qualidade hidrobiológica da água decantada produzida pela ETA-Piloto foram obtidos quando da condução dos ensaios tendo-se produzido água decantada sob condições de operação do processo de coagulação em ph entre 6,0 e 6,5 e dosagens de polímero catiônico entre 1,0 mg/l a 1,5 mg/l. A aplicação de dosagens de polímero catiônico da ordem de 0,5 mg/l apresentou resultados de qualidade de água filtrada similares às obtidas para as carreiras de operação da ETA- Piloto operadas com dosagens de polímero catiônico de 2,0 mg/l, recomendando-se que a aplicação de polímero catiônico como auxiliar de coagulação seja efetuado em dosagens em torno de 0,5 mg/l, uma vez tendo esta produzido excelentes resultados com respeito à remoção de microrganismos.

Em função da grande adesividade dos flocos de hidróxido férrico na superfície dos grãos dos materiais filtrantes, a aplicação do polímero catiônico CYTEC deve ser aplicado em dosagens inferiores a 1,0 mg/l, tendo por objetivo principal preservar o atual sistema de filtração em operação na ETA-ABV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. Water quality and treatment. 4 ed. 1194 p. New York, McGraw Hill, 1991. DI BERNARDO, L., MENDES, C.G.N., GUIMARÃES, A.F. Coagulação-floculação de águas com turbidez ou cor elevada (Parte I). Revista DAE, v.47, n.150, p.227-231, Dezembro. 1987. MOREL, F.M.M., HERING, J.G. Principles and applications of aquatic chemistry. 588p. New York, John Wiley & Sons, 1993. STUMM, W., MORGAN, J.J. Chemical aspects of coagulation. Journal American Water Works Association, p.971-992, August. 1962. STUMM, W., MORGAN, J.J. Aquatic chemistry: chemical equilibria and rates in natural waters. 3ed. 1022p. New York, John Wiley & Sons, 1996.