Tratamento da Água

1. Tratamento da Água

2. ETA • Conjunto de instalações e equipamentos destinados a alterar as características físicas, químicas e/ou biológicas da água, de modo a satisfazer os padrões de potabilidade exigidos pelo Ministério da Saúde (Portaria 518/04).

3. Definição da tecnologia para potabilidade da água • Características da água bruta; • Custos de implantação, manutenção e operação; • Manuseio e confiabilidade dos equipamentos; • Flexibilidade operacional; • Localização e características da comunidade; • Disposição final do lodo.

4. Conama 357/05

5. Classe especial • Características naturais não poderão ser alteradas • Não prevê usos múltiplos (o uso é a própria manutenção do ecossistema) • Não prevê lançamentos

6. ABNT / 1990

8. Principais processos e operações das diferentes tecnologias de tratamento da água • Coagulação• Floculação• Sedimentação / floculação• Filtração• Adsorção em carvão ativado• Desinfecção e oxidação

9. Mecanismo de Formação de Dispersões Coloidais • Partículas sólidas com pequenas dimensões (ex. micelas) podem ter íons fixados à superfície. • Esses íons podem estar fixados por processos de adsorção ou por ionização de grupos que se encontram na superfície de sólidos. • No pH das águas naturais ocorrem partículas suspensas de silicatos ionizados, com cargas negativas.

10. 1. Coagulação Desestabilização de soluções coloidais

11. Formação de Dupla Camada Elétrica • Formação da dupla camada elétrica numa partícula de silicato em suspensão Camada primária com carga negativa Camada de contra-íons onde predominam íons positivos em solução e que permite assegurar a eletroneutralidade deste sistema

12. 1. Coagulação Camada de Stern – elevada concentração de íons positivos próximos a superfície do colóide (força de atração prevalece em menor distância). Camada difusa - de menor concentração iônica

13. Estabilização de Suspensões Coloidais • Em volta de cada partícula existe uma dupla camada elétrica: • camada primária de íons fixos à superfície das partículas em suspensão. • camada de contra-íons em solução e que vão contrabalançar a carga elétrica da camada primária. • Cargas elétricas iguais dificultam aproximação e a coalescência das partículas, que pode permanecer muito tempo sem precipitar.

14. Estabilidade de Suspensões dos Colóides • A maior parte dos sistemas coloidais são metaestáveis ou instáveis relativamente à situação de separação de fases. • No colóide estável as partículas não formam agregados a uma velocidade apreciável. • A formação destes agregados de micelas bem como a velocidade em que se formam são aspetos importantes no tratamento de águas.

15. 1. Coagulação Resulta da ação de 4 fatores distintos.

16. Mecanismos de Desestabilização de Colóides • Compressão da camada difusa (dupla camada elétrica) diminuindo a espessura da camada de contra-íons. • Adsorção e neutralização da carga elétrica da camada primária. • Formação de pontes e adsorção entre partículas (polímeros). • Varredura num precipitado volumoso de Al(OH)3 ou de Fe(OH)3 - Fe III.

17. 1. Coagulação • Compressão da camada difusa Redução dupla camada com melhor aproximação das partículas. Redução do potencial zeta.

18. Ensaios em “jar test”: geram curvas (fig.) que permitem avaliar o comportamento do sistema: redução da turbidez com o aumento de concentração de eletrólito. Íons de maior carga são mais efetivos (regra de Shultze-Hardy). A adição do eletrólito reduz a espessura da camada de contra-íons diminuindo os potenciais repulsivos. Explicando a desestabilização dos colóides. a. Compressão da Dupla Camada

19. Concentrações elevadas de íons positivos acarretam acréscimo do número de íons na camada difusa, que, para se manter eletricamente neutra, necessariamente tem seu volume reduzido (diminuição da espessura), de modo tal que as forças de van der Waals sejam dominantes, eliminando a estabilização eletrostática.

20. Coagulação - mecanismos b. Adsorção - neutralização Espécies com carga contrária à da superfície dos colóides causam sua desestabilização. • Coagulante gera cátions que neutralizam a carga negativa do colóide, antes da formação visível do floco. A agitação é importante nesta fase.

21. Coagulação - mecanismos c. Adsorção e formação de pontes Polieletrólitos - aniônicos, catiônicos, anfolíticos e não iônicos, de alto PM, com grupos carregados e capazes de atuar como coagulante (desestabilizam colóides).

22. Reação 1 Adsorção inicial – dosagem ótima Uso de Polímero -Coadjuvante Reação 2 Formação do floco • Mecanismo útil para a fase de floculação e as reações 1 e 2 dão uma descrição do mecanismo de atuação destes polímeros. • As outras reações permitem explicar as possibilidades de re-suspensão das partículas de sólido devido a excesso de polímero. Reação 3 Adsorção secundária Reação 4 Adsorção Excesso dosagem Reação 5 Ruptura do floco Floco Reação 6 Adsorção secundária Partícula reestabilizada Floco fragmentado

23. Reação 1 Adsorção inicial – dosagem ótima Uso de Polímero -Coadjuvante Reação 2 Formação do floco • Mecanismo útil para a fase de floculação e as reações 1 e 2 dão uma descrição do mecanismo de atuação destes polímeros. • As outras reações permitem explicar as possibilidades de re-suspensão das partículas de sólido devido a excesso de polímero. Reação 3 Adsorção secundária Reação 4 Adsorção Excesso dosagem Reação 5 Ruptura do floco Floco Reação 6 Adsorção secundária Partícula reestabilizada Floco fragmentado

24. d. Varredura • Sais de Al(III) ou Fe(III), a valores de pH próximos de 7 formam-se precipitados de hidróxidos de íons metálicos, na água. • São precipitados volumosos que permitem o aprisionamento e o arrastamento de partículas em suspensão. Neste diagrama, observar a descida de turvação que ocorre a concentrações altas de Al(III).

25. Exemplos de coagulantes 1. Alumínio Al2(SO4)3 + 18H2O + 3Ca(OH)2 → 3CaSO4 + + 18H2O pH 6-8 13 Al+3 + 28 H2O ↔ Al13O4(OH)24+7 + 32 H⁺ pH < 5,7 2Al(OH)↓ Consumo da alcalinidade natural da água

26. Caminhos para a coagulação por adsorção-neutralização de carga e por varredura utilizando sulfato de alumínio (Di Bernardo, 2005).

27. Caminhos para a coagulação por adsorção-neutralização de carga e por varredura utilizando sulfato de alumínio (Di Bernardo, 2005).

28. Tipos de coagulantes 2. Ferro Fe⁺3 + 3 OH- → pH 3 a 13 Fe(OH)3↓

29. Tipos de coagulantes 3. Policloreto de Alumínio Inorgânico catiônico pre-polimerizados a base de policloreto de alumínio. • Carga = Aln(OH)m (3n-m)+

30. Auxiliares de Coagulação Principais dificuldades com a coagulação: • precipitados de baixa decantação, • flocos frágeis, facilmente fragmentados sob forças hidráulicas, nos decantadores e filtros de areia. Melhoraram a coagulação promovendo o crescimento dos flocos e incrementando a velocidade de sedimentação destes. Materiais mais utilizados são: polímeros, sílica ativada, agentes adsorventes de peso e oxidantes.

31. Alcalinizantes • O mais utilizado pelo seu baixo custo é a Cal Ca(OH)2 - cal virgem ou viva, cal hidratada ou extinta, cal dolomítica). • Hidróxido de cálcio Ca(OH)2 e misturas deste com o MgO e o Mg(OH)2. • Barrilha NaCO3.

32. Auxiliares de Coagulação Sílica Ativada • É o silicato de sódio tratado com ácido sulfúrico, sulfato de alumínio, dióxido de carbono ou cloro. • Liga as partículas microfinas de alumínio hidratado, sua dosagem está na faixa de 5 a 10 mg/L. Vantagens: • aumenta a taxa de reação química, • reduz a dosagem de coagulante, • aumenta a faixa de pH ótimo e • produz um floco com melhores propriedades de decantação e resistência. Desvantagem: em relação aos polieletrólitos é a necessidade de um controle preciso de preparo e dosagem. A sílica, mesmo um pequenas quantidades causa prejuízos as caldeiras à vapor.

33. Auxiliares de Coagulação Argilas Bentoníticas (catiônicas) Águas com alto teor de cor, baixa turbidez e baixo conteúdo mineral. Nestas condições, os flocos de Fe ou Al são demasiadamente leves para decantar rapidamente. A argila aumenta peso do floco e a decantabilidade. Ácido Sulfúrico Auxiliar na coagulação de águas de cor e pHmuito elevados.

34. Coagulação X Floculação: • Coagulação e Floculação são muitas vezes usadas em química como equivalentes da formação de agregados de partículas coloidais. • Para conseguir a agregação de micelas, há que proceder de modo a diminuir ou mesmo suprimir as forças repulsivas. • Em tratamentos de águas, o termo Coagulação aplica-se a desestabilização das partículas coloidais para formação do pequenos agregados , os coágulos.

35. Coagulação X Floculação: Os coágulos formados ainda presentam dificuldades de separação da água, sendo necessário complementar com: • A floculação: quando as partículas se unem formando agregados de maiores (flocos), os quais são mais fáceis de separar da fase líquida. “Jar test”: copos com agitador, onde a amostra de água é ensaiada avaliando os efeitos que pode ter a adição de determinado agente químico e em diferentes condições.

36. 2. FloculaçãoTransporte de Partículas Etapa que propicia condições para: - Contato e agregação de partículas previamente desestabilizadas por coagulação química. - Flocos de tamanho e massa específica que favoreçam sua remoção por sedimentação, flotação ou filtração direta.

37. 2. Floculação Transporte de Partículas • Agitação térmica das partículas (movimentos brownianos). • Movimentos no seio do fluído (agitação mecânica). • Diferenças de velocidade de descida por ação da gravidade (as partículas mais rápidas podem chocar com as mais lentas).

38. 3. Sedimentação e Flotação • Sedimentação: Fenômeno físico no qual partículas, em suspensão, tem movimento descendente num líquido de menor massa específica, pela ação da gravidade. • Flotação: pela ascensão partículas, em suspensão, e pela aderência de microbolhas de ar, tornando-as de menor massa específica que o meio.

39. 4. Filtração • Remoção de partículas suspensas e coloidais e de microrganismos da água que escoa através de um meio granular. • Em geral processo final da ETA e principal agente da qualidade da água potável.

40. 5. Adsorção em Carvão Ativado Na forma de pó, tem grande poder de adsorção. É bastante empregada no tratamento da água com gosto e odor provocador por material orgânico. Em geral após a filtração.

41. 6. Desinfecção e Oxidação Em geral desinfetantes são oxidantes. • Principais oxidantes: permanganato de K, cloro, dióxido de cloro, O3, H2O2 e UV. • Com exceção do permanganato os demais são utilizados como desinfetantes.

42. Isenta de N • Cl2 + H2O HClO + H+ + Cl- (Ác. Hipocloroso) • HClO ClO- + H+ (Hipoclorito) HClO- principal agente desinfetante HClO + ClO- = Cloro livre Em pH 7,5: [HClO] = [ClO-] Em pH > 7,5: diminui [HClO] (ác. hipocloroso) e aumenta [ClO-] , com prejuízo a eficácia da desinfecção.

43. Na presença de amônia • HClO + NH4⁺ → NH2Cl + H2O + H⁺ (monocloraminas) • HClO + NH2Cl → NHCl2 + H2O (dicloraminas) • HClO + NHCl2 → NCl3 + H2O (tricloraminas)

44. Predomínio: de monocloraminas em pH >ou= 7 • Dicloraminas > poder bactericida que monocloraminas. Tricloraminas não tem efeito. • N amoniacal consome o Cl na formação de cloraminas. • Break point – quando toda a amônia disponível se combinou com o cloro para a formação de cloraminas. Teor residual mínimo de cloro livre.

45. Diagramas de Especiação do Al(III) e Curva de Solubilidade • A cada espécie corresponde uma linha reta devido a que as escalas dos eixos são logarítmicas. A curva que aparece a traço mais grosso corresponde à soma das concentrações: solubilidade do alumínio em equilíbrio com o hidróxido de alumínio sólido.

46. Dosagens: Zonas de Sobressaturação • Para assegurar uma precipitação rápida é necessário usar concentrações bastante superiores aos limites de solubilidade e as dosagens de coagulante são apontadas para as zonas de sobressaturação assinaladas na figura.

47. Al2(SO4)3 . 18H2O reage com a alcalinidade natural formando o Al(OH)3: Al2(SO4)3⋅18H2O + 3Ca(HCO3)2 → 3CaSO4 + 2Al(OH)3 ↓ + 6CO2 O Al(OH)3 forma flocos e o CO2 é o responsável pelo aumento da acidez da água. • Quando a alcalinidade natural é reduzida, adiciona-se cal Ca(OH)2 ou carbonato de sódio Na2CO3. Al2(SO4)3 .18H2O 3 Ca(OH)2 + 3 CaSO4 + 2Al(OH)3 + 18 H2O Al2(SO4)3 .18H2O 3Na2(CO3) +3NaSO4 + 2Al(OH)3 +15H2O + 3CO2 → →

48. Sulfato ferroso adicionado à água precipita a forma oxidada de Fe(OH)3, assim a adição de cal ou cloro é geralmente necessária para uma coagulação efetiva 3FeSO4 .7H2O + Cl2 → Fe2(SO4)3 + FeCl3 + H2O Fe2(SO4)3.7H2O + 2Ca(OH)2 ½O2 → 2Fe(OH)3 ↓+ Ca2SO4 + 13H2O • Reação de pH alcalino (9 a 11), há clarificação de águas turvas, com abastecimento com cal • A vantagem em relação a Cal é que a coagulação pode ser obtida numa extensa faixa de pH entre 4,8 e 11,00

49. Fe2SO4 FeSO4 + 3Ca(HCO3)2 →2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2 FeSO4 + 3Ca(OH2)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4 Cloreto férrico, FeCl3. 6H2O usado, primariamente, na coagulação de esgotos sanitários e industriais, e encontra aplicações limitados no tratamento de água. Disponível nas formas sólida e liquida, é altamente corrosivo.

50. Aplicações da coagulação química (Fonte: Eckenfelder, 1989). → → → →