Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aula 17 Processos de adsorção, membranas e tratamento da águas eutrofizadas e da fase sólida em ETAs Profª Heloise G. Knapik 1
Aula de hoje Processos de adsorção Processos com membranas Tratamento de águas eutrofizadas Tratamento da fase sólida em ETAs 2
Taxa de mortalidade por 100.000 habitantes Subprodutos da desinfecção 30 25 20 15 Início do processo de cloração Identificação dos DBP s Protozoários resistentes a ação dos agentes desinfetantes convencionais 10 5 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Ano Taxa de mortalidade de febre tifóide nos Estados Unidos da América Fonte: Jacangelo, M. (2001) 3
Processos de adsorção 4
Processo de adsorção Utilizados para remover constituintes orgânicos e inorgânicos da água Exemplo: carvão ativado granular (CAG) e carvão ativado em pó (CAP) Remoção de compostos orgânicos causadores de sabor e odor em águas de abastecimento 5
Processo de adsorção Processo pelo qual as moléculas são transferidas de uma corrente fluida e concentradas sobre uma superfície sólida por meio de forças físicas Atração física: forças de van der Walls (nível molecular) Quanto mais hidrofóbico for o composto, maior o potencial de adsorção Eficiência do processo: Relacionada com a área superficial local onde ocorre o processo de adsorção 6
Processo de adsorção Tipos de adsorventes Adsorvente mais aplicado: carvão ativado (granular ou em pó) Hidróxido férrico granular também apresenta características de adsorção (remoção de arsênio e selênio) 7
Processo de adsorção Local de aplicação: Em camadas do leito filtrante Adicionado à água bruta antes da unidade de mistura rápida ou na entrada do filtro antes da filtração em areia (depende das etapas do tratamento) Pode interferir com a pré-oxidação e/ou processo de coagulação 8
Sistemas de separação por membranas 9
Processos de separação por membranas Utilização de membranas semipermeáveis para separação de contaminantes na água Possibilitam a separação dos seguintes contaminantes: Sólidos em suspensão, inclusive colóides Bactérias e vírus Compostos orgânicos dissolvidos Substâncias inorgânicas dissolvidas 10
Processos de separação por membranas Princípio de funcionamento: água bombeada sob pressão através de uma membrana semipermeável Conforme o tamanho do poro da membrana descresce, a pressão transmembrana aumenta 11
Processos de separação por membranas Seleção do tipo de membrana: depende dos constituintes que serão removidos Microfiltração (MF) Ultrafiltração (UF) Nanofiltração (NF) Osmose reserva (OR) 12
Principais processos de separação por membranas Microfiltração: Utilizado para separação de sólidos em suspensão e bactérias Ultrafiltração: Utilizado para separar sólidos em suspensão, bactérias, vírus e compostos orgânicos de elevado peso molecular Nanofiltração: Remoção de compostos orgânicos de baixo peso molecular e íons bivalentes dissolvidos Osmose reversa: Separação de espécies de baixo peso molecular 13
Comparação entre processos: convencional e por membranas Constituinte a ser removido Turbidez, sólidos suspenso e contaminantes microbiológicos Cor, odor e compostos orgânicos Sistema convencional Coagulação, floculação, filtração e desinfecção Carvão ativado, cloração e filtração e aeração Separação por membranas Microfiltração Ultrafiltração Dureza, sulfatos, ferro e metais pesados Sais dissolvidos Abrandamento com cal, troca iônica, oxidação e filtração e coagulação floculação Nanofiltração Evaporação e troca iônica Osmose reversa 14
Características dos processos de separação por membranas Tipo de membrana Tamanho do poro Pressão de operação Microfiltração 0,1 µm 0,2 a 1,0 bar Ultrafiltração 0,01 µm 1 a 5 bar Nanofiltração 0,001 µm 5,0 a 6,7 bar Osmose reversa Passagem apenas de constituintes do tamanho das moléculas de água 13,4 a 80,4 bar 15
16
17
Materiais das membranas Formas: tubular, placas planas ou como fibras ocas finas Materiais sintéticos ou naturais Materiais naturais: acetato de celulose, diacetato de celulose, triacetato de celulose Materiais sintéticos: poliamida, polissulfona, acrilonitrilo, polietersulfona, teflon, náilon e polímeros de propileno Membranas cerâmicas são restritas aos processos de microfiltração e ultrafitração Alguns materiais são sensíveis a: temperatura, ph e oxidantes (p. ex. cloro) 18
Projetos e dimensionamento É necessário conhecer as características do produto a ser obtido e da alimentação; Também devem estar disponíveis: A vazão de água a ser produzida ou volume de efluente a ser tratado; Recuperação de água no sistema; Capacidade de produção das membranas 19
Projetos e dimensionamento Valores típicos do fluxo de água através das membranas são: Osmose reversa 15 a 25 L/h.m 2 ; Nanofiltração 20 a 30 L/h.m 2 ; Ultrafiltração 25 a 50 L/h.m 2 ; Microfiltração não há uma regra. No caso de sistemas de microfiltração os valores máximos situam-se na faixa de 50 a 70 L/h.m 2. 20
Projetos e dimensionamento Componentes de um sistema de membranas: Subsistema de pré-tratamento: Deve ser previsto para minimizar os problemas operacionais nas membranas. Subsistema de membranas: Irá promover a separação dos contaminantes da água. Subsistema de pós-tratamento; Subsistema de limpeza química: Tem por finalidade recuperar a capacidade de produção das membranas. 21
Formação de biofilme problemas de operação Problema crítico nos processos de separação por membranas; Refere-se à formação de uma camada viscosa sobre a superfície da membrana, resultante do acúmulo de microrganismos; Processo resultante dos mecanismos de adesão e crescimento 22
Formação de biofilme problemas de operação Adesão: Mecanismo responsável pela fixação dos microrganismos na superfície da membrana; Crescimento: Multiplicação dos microrganismos após a sua adesão na membrana, utilizando os nutrientes que são transportados para superfície da membrana. 23
Formação de biofilme problemas de operação A formação de biofilme representa um sério problema em sistemas de membranas (> que depósitos coloidais ou a incrustação) Os microrganismos se multiplicam em progressão geométrica, podendo resultar em danos severos às membranas Águas com baixa contagem de microrganismos também apresenta a formação de biofilme 24
Formação de biofilme problemas de operação Sólidos em suspensão em combinação com o biofilme podem resultar na formação de depósitos perda de eficiência no sistema; O biofilme funciona como uma fonte de microrganismos para o sistema; O monitoramento da formação de biofilme pode ser feita através da contagem microbiana 25
Formação de biofilme problemas de operação A ocorrência de biofilme reduz o desempenho do sistema de membranas; Os efeitos adversos da formação do biofilme são mais observados em sistemas com menores porosidades, como a NF e a OR; 26
Tratamento de água de mananciais eutrofizados presença de algas 27
Eutrofização Proliferação de algas e macrófitas em corpos d água Resultado do aumento da concentração de nutrientes Comprometimento do uso da água para abastecimento doméstico e industrial 28
Algas de interesse Gênero da Alga Anabaena Chlorella Asterionella Euglena Spirogyra Problema Odor, interferência na coagulação e toxinas Odor, coloração e persistência no sistema de distribuição Odor, persistência no sistema de distribuição e interferência na coagulação Odor, corrosão em concreto e interferência na coagulação Odor e produção de lodo Fonte: Di Bernardo, L. Algas e suas influências na qualidade das águas e nas tecnologias de tratamento, 1995. 29
Algas potencialmente tóxicas As algas potencialmente tóxicas pertencem à divisão Cyanophyta, geralmente denominadas de cianobactérias; Vários gêneros e espécies de cianobactérias que formam florações produzem toxinas, conhecidas como Cianotoxinas; Algumas das toxinas produzidas pelas cianobactérias têm ação rápida, podendo causar a morte de mamíferos. 30
Impactos sobre o sistema de tratamento A presença de algas na água bruta podem ocasionar problemas Operacionais Qualidade final da água tratada Potencial formação de subprodutos tóxicos (reação com oxidantes químicos) Potencial liberação de toxinas 31
Impactos sobre o sistema de tratamento Problemas operacionais Etapa de coagulação e floculação Implica em uma maior estabilidade das partículas em suspensão Necessidade de maiores dosagens de produtos químicos Aumento do custo de tratamento 32
Impactos sobre o sistema de tratamento Problemas operacionais Sedimentação Com menor peso específico das algas, há uma tendência de que ocorra flotação Deterioração da qualidade da água decantada Qualidade do lodo formado (maior dosagem de produtos químicos) Aumento dos custos de desidratação e disposição do lodo formado 33
Impactos sobre o sistema de tratamento Problemas operacionais Filtração Menores carreiras de filtração devido a maior carga de material sólido Maior frequência nas operações de lavagem dos filtros Menor produtividade devido ao aumento no consumo de água de lavagem (menores carreiras de filtração) 34
Impactos sobre o sistema de tratamento Problemas operacionais Desinfecção Aumento no consumo de agente de desinfecção Geração de maior quantidade de matéria orgânica no efluente dos filtros Maior possibilidade do desenvolvimento de gosto e odor na água 35
Impactos sobre o sistema de tratamento Problemas operacionais Distribuição Maior potencial de crescimento bacteriano em função da utilização da matéria orgânica como substrato Potencial aumento da taxa de corrosão na rede de distribuição de água devido a formação de biofilme 36
Impactos sobre o sistema de tratamento Problemas de qualidade na água tratada Presença de substâncias potencialmente tóxicas Compostos organoclorados; Ácidos halo-acéticos. Gosto e odor na água 2,6-dimetil biciclo decan-1-ol Geosmina utilizado na fabricação de perfumes; 2-Metil-isoborneol (MIB). 37
Impactos sobre o sistema de tratamento Formação de subprodutos tóxicos na pré-oxidação Rompimento das células de algas Aumento na concentração de matéria orgânica Aumento no potencial de formação de subprodutos tóxicos (depende do tipo de agente pré-oxidação e de sua dosagem) 38
Impactos sobre o sistema de tratamento Formação de subprodutos tóxicos na desinfecção e distribuição Devido à reação entre a matéria orgânica não removida e a ação dos desinfetantes (cloro) Processo continua a ocorrer no sistema de distribuição (cloro residual) 39
Impactos sobre o sistema de tratamento Potencial liberação de toxinas Algas do tipo cianofíceas, na ocorrência de floração, liberam toxinas Essas toxinas tem ação hepatotóxicas ou neurotóxicas Durante o processo de tratamento de água, essas toxinas podem ser liberadas 40
Tratamento de água de mananciais eutrofizados Tratamento envolve atividades de manejo até a distribuição da água Evitar a proliferação de algas nos reservatórios Minimizar a entrada de algas na estação de tratamento Remover as algas presentes na água Interromper o abastecimento em casos extremos 41
Tratamento de água de mananciais eutrofizados Ações de gestão na área de manancial Controlar a entrada de nutrientes Preservar as áreas de manancial Coleta e tratamento de efluentes Controlar o florescimento de algas por meio da utilização de algicidas (é vedado o uso de algicidas para o controle do crescimento de cianobactérias ou qualquer intervenção no manancial que provoque a lise celular quando a densidade é superior a 20000 célular/ml) 42
Tratamento de água de mananciais eutrofizados Minimizar a entrada de algas na estação de tratamento Alocar o ponto de captação onde o potencial de acúmulo de algas é menor Condição de ventos Margens dos mananciais Avaliar o perfil vertical de distribuição das algas ao longo do dia (captar em pontos de menor concentração) 43
Tratamento de água de mananciais eutrofizados Minimizar a entrada de algas na estação de tratamento Utilizar barreiras para evitar que a escuma de algas atinja o ponto de captação Pré-filtração na margem: 44
Remoção de algas no sistema de tratamento Utilização de pré-oxidação com cloro ou ozônio Em sistemas convencionais, gera flocos mais leves no processo de coagulação e floculação Pode conduzir ao rompimento da membrana celular das algas e ocasionar a liberação de toxinas e precursores de THM s Diminui a eficiência da sedimentação 45
Remoção de algas no sistema de tratamento Pré-oxidação com permanganato de potássio Para evitar a liberação de toxinas, é necessário que as algas sejam removidas intactas O permanganato de potássio utilizado na sequencia da coagulação ajuda na eficiência de remoção de partículas Cautela na dosagem muito elevado ocasiona a coloração da água Necessário aumentar a dosagem de coagulantes 46
Remoção de algas no sistema de tratamento Flotação Remoção física não é necessário o processo de préoxidação Eficiência elevada Separação por membranas Eficiência elevada Não necessita pré-oxidação Formação de depósitos na superfície da membrana 47
Remoção de toxinas no sistema de tratamento A remoção de toxinas pode ser realizada através de: Oxidação química com ozônio (após a decantação), cloro (após a filtração) e permanganato de potássio Adsorção em carvão ativado em pó ou granular Adsorção e degradação em carvão ativado granular com crescimento biológico 48
Tratamento da fase sólida em ETAs 49
Esquema de geração de lodo em ETA convencional 50
Tanque para separação do lodo - ETA Miringuava 51
Adensador para separação do lodo 52
Lodo gerado na ETA Miringuava após adensamento 53
Características do lodo de ETAs Lodos de ETAs podem variar em função de: Qualidade da água bruta Técnica utilizada para tratar a água De como ocorre o processo de coagulação Da quantidade e dos tipos de produtos químicos utilizados durante o tratamento da água Dos locais onde foram gerados (decantador, floculador, filtros, etc) Do intervalo de limpeza dos decantadores e dos filtros 54
Características do lodo de ETAs Composição básica: Microrganismos Sólidos orgânicos e inorgânicos Sólidos do próprio coagulante e de outros produtos químicos utilizados para o tratamento As características químicas e físicas do lodo estão relacionadas com as características da água do manancial, com os produtos químicos utilizados e com o modo como a coagulação ocorre. As propriedades químicas do lodo podem influenciar nas físicas. 55
Características do lodo de ETAs Parâmetros utilizados para a caracterização do lodo de ETAs: ph DBO e DQO Concentração de metais Sólidos 56
Características do lodo de ETAs Potencial tóxico depende de: Teor de metais presentes (Alumínio, cobre, chumbo, níquel, etc) Reações sofridas durante o processo Forma e tempo de retenção Características do curso d água Composição e impureza dos coagulantes e outros produtos químicos utilizados 57
Desidratação do lodo de ETAs A função de desidratar o lodo de ETAs é importante para: Redução dos custos de transporte e disposição final (menor volume) Facilidade para o manuseio do lodo desidratado quando comparado com ele ainda com alto teor de umidade Espessamento desidratação 58
Desidratação do lodo de ETAs Formas de desidratação do lodo de ETAs: Desidratação Natural Leitos de Secagem Desidratação Mecânica Filtros Prensa de Esteira Centrífugas Filtro Prensa Parafuso Filtros Prensa de Placas 59
Disposição do lodo de ETAs Disposição função do teor de sólidos presente: Aterros sanitários (teor de sólidos > 30%) Disposição controlada em certos tipos de solos Co-disposição com biossólidos gerados em estações de tratamento de esgotos Incineração dos resíduos Lançamento em rede coletora de esgotos Aplicações industriais diversas, tais como fabricação de tijolos ou outros materiais de construção 60
Etapas Tratamento Convencional de Água Manancial Coagulação Agente oxidante CAP (Carvão ativado em pó) Coagulante Alcalinizante Agente oxidante Floculação Polímero Flotação Sedimentação Filtração Polímero / Agente oxidante Desinfecção Agente oxidante Fluoretação Flúor Correção de ph Alcalinizante Água final