ÁGUA - Métodos e tecnologia de tratamento

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AGUA METODOS E TECNOLOGIA DE TRATAMENTO Carlos A. Richter Lan~amento 2009

ISBN: 9788521204985 Paginas: 352 Formato: 17x24 em Peso: 0,580 kg

AGUA

METODOS E

TECNOLOGIA DE TRATAMENTO

.1

EDITORA ~BLUCHER

1CONCEITOS BÁSICOS

Conceitos Básicos de Química

1

DE QUÍMICA

D

esde a mais remota antiguidade, a constituição da matéria intriga o pensamento humano. A questão é: pode a matéria ser dividida indefinidamente em partes cada vez menores ou haverá um limite, uma partícula indivisível, a menor partícula que individualiza uma determinada substância? Para os antigos gregos, não havia meios experimentais de comprovar quaisquer dessas possibilidades. A constituição da matéria era objeto de correntes filosóficas de pensamento, baseadas em princípios lógicos. Alguns filósofos gregos, notadamente Demócrito, 500 anos antes de Cristo, defendiam o princípio de que a matéria era constituída de partículas indivisíveis, os átomos. Segundo eles: As únicas coisas existentes são os átomos e o espaço vazio.

Os átomos são infinitos em número e infinitamente variados em suas formas; chocam entre si, sendo as translações e rotações assim provocadas o começo dos mundos. As variedades de todas as coisas dependem das variedades de seus átomos em número, tamanho e agregação.

Outros pensadores gregos, entre eles Platão e Aristóteles, que exerceram grande influência no pensamento ocidental, eram contrários a essas ideias, e a teoria atômica foi esquecida até o Renascimento, quando se inicia a física experimental com Newton, Boyle e Huygens.

No final do século XVII e início do século XIX, os químicos já conheciam algumas relações com que um determinado elemento químico combinava-se com outros em reações completas, isto é, sem resíduos de qualquer componente da reação. Por exemplo, sabia-se que 2 g de oxigênio reagiam com exatamente 3 g de magnésio para formar óxido de magnésio. A mesma quantidade de oxigênio necessitava, entretanto, de 5 g de cálcio para produzir o óxido de cálcio. Nas reações entre esses elementos, encontra-se, portanto, uma relação entre os números inteiros 2:3:5.

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31.07.09 17:58:43

Na formação de compostos, os elétrons de valência são transferidos da camada externa de um átomo para a camada externa de outro, ou eles são compartilhados pelas camadas externas dos átomos de um composto. Quando os elétrons são transferidos, a união é chamada ligação iônica (Figura 1.3). Quando compartilhados, acontece a ligação covalente (Figura 1.4).

Um mol (plural = moles) de um elemento ou composto é a sua massa molecular expressa em unidades comuns de massa, usualmente em gramas. Um mol de cloro

e

e

Na

é 71 g, e um mol de carbonato de cálcio, substância familiar para quem lida com tratamento de água, é 100 g. Um mol de uma dada substância contém exatamente o mesmo número de moléculas que qualquer outra substância. O número de moléculas contidas em um mol de uma dada substância é chamado de número de Avogadro, e é aproximadamente igual a 6,02 × 1023.

Tratando-se de gases, um mol de um gás qualquer, contendo 6,02 × 1023 moléculas, ocupa sempre o mesmo volume, 22,4 L, a 0 °C e a 1 atmosfera de pressão.

e e e e

e e e e

e e e

5

Conceitos Básicos de Química

e

e e

e

ee e

e

e e

Cl

e

ee

H

ee

Elétron compartilhado

e e e e

Figura 1.3 Ligação iônica – Molécula de cloreto de sódio, NaCl

e e e e e

Cl

e

e e e e

e e e e

Figura 1.4 Ligação covalente – Molécula de ácido clorídrico, HCl

EXEMPLO 1.1 Para os operadores e engenheiros que lidam com tratamento de água, a dosagem de coagulante é em mg/L do produto como ele é. Pesquisadores e cientistas geralmente apresentam em suas publicações a dosagem em termos do íon metálico correspondente, Al3+ ou Fe3+. É conveniente, portanto, estabelecer suas equivalências para uma rápida conversão de uma unidade para outra.

O sulfato de alumínio seco tem a fórmula

Al2(SO4)3 × 14 H2O

Calcular o mol e a porcentagem de alumínio, Al3+. Pesos atômicos:

Al = 26,98, S = 32,06, O = 16,00, H = 1,00 H2O = 2 H + O = 2 × 1,00 + 16,00 = 18,00 SO4 = S + 4 O = 32,06 + 4 × 16,00 = 96,06 Al = 26,98 Al2(SO4)3 × 14 H2O = 2 × 26,98 + 3 × 96,06 + 14 × 18 = 594,14

SOLUÇÃO: A porcentagem de alumínio no sulfato é, então

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(26,98/594,14) × 100 = 4,54%

31.07.09 17:58:45

2ESTEQUIOMETRIA,

Estequiometria, Equações Químicas

9

EQUAÇÕES QUÍMICAS

A

análise estequiométrica (do grego Stoikeion, elemento) baseia-se na lei da conservação das massas, isto é, que o número total de átomos de cada espécie envolvida em uma reação química deve ser o mesmo nos dois lados da equação.

A maneira mais simples de definir uma reação química é por meio de uma equação química, na qual o lado esquerdo indica os reagentes, ou produtos químicos que serão postos em contato, e o lado direito, os produtos ou resultados da reação química. A seta indica o sentido da reação. Por exemplo, sabemos que hidrogênio + oxigênio Z água. Em concordância com a lei da conservação das massas, podese escrever: 2 H 2 + O2 → 2 H 2 O Para uma equação química estar correta, devem ser verificadas as seguintes observações: 1. A equação deve representar a realidade, isto é, devem-se conhecer todos os reagentes e produtos.

2. A equação deve incluir os símbolos e fórmulas de todos os elementos e compostos que reagem ou se formam com a certeza de estão escritos corretamente. Os elementos que existem como moléculas diatômicas são: hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, flúor, cloro, bromo e iodo; os demais são considerados monoatômicos na redação de equações químicas.

3. A lei da conservação dos átomos deve ser obedecida, isto é, deve haver o mesmo número de átomos de cada elemento em ambos os membros da equação.

Tratamento 02.indd 9

31.07.09 18:00:40

10

Água — Métodos e Tecnologia de Tratamento

Por exemplo, o processo mais comum no tratamento de água é a coagulação. O sulfato de alumínio reage com a alcalinidade natural ou adicionada à água, formando o hidróxido de alumínio. A reação simplificada pode ser representada por: Sulfato de alumínio + hidróxido de cálcio → hidróxido de alumínio + sulfato de cálcio

membro, de modo que a equação fica agora como: Al 2 (SO4) 3 + Ca(OH) 2 → 2 Al(OH) 3 + 3 CaSO4 (ainda não equilibrada) Como há três átomos de cálcio no segundo membro, deve-se colocar o coeficiente 3 antes do Ca(OH) 2 no lado esquerdo da equação: Al 2 (SO4) 3 + 3 Ca(OH) 2 → 2 Al(OH) 3 + 3 CaSO4

Com as fórmulas químicas dos componentes, pode-se escrever: Al 2 (SO4) 3 + Ca(OH) 2 → Al(OH) 3 + CaSO4 Essa expressão deve ser equilibrada.

Começando com o Al 2 (SO4) 3 para equilibrar os átomos, encontram-se dois átomos de alumínio no lado esquerdo. Com isso, no lado direito deve haver duas moléculas de Al(OH) 3. Há três radicais SO4– no primeiro

resultando, finalmente, uma equação equilibrada.

A análise estequiométrica é utilizada para se determinar as quantidades de reagentes necessárias para se obter uma dada quantidade de produto desejado e é, portanto, de grande importância no dimensionamento de dosadores, tanques de solução, espaço para armazenamento de produtos químicos etc.

EXEMPLO 2.1 Uma situação extremamente perigosa na operação de uma estação de tratamento de água é o vazamento de cloro para a atmosfera, com risco de vida para o operador. O cloro pode ser neutralizado por um álcali, por exemplo, pela cal hidratada [hidróxido de cal, Ca(OH)2] ou pela soda cáustica (hidróxido de sódio, NaOH). Destes, a soda é bem mais solúvel e, portanto, passível de ser armazenada em um volume relativamente pequeno, sendo, assim, preferível em uma primeira escolha.

Calcular a quantidade de soda necessária e o volume do tanque para armazená-la em solução a 50%, capaz de neutralizar um cilindro de cloro de 1 tonelada (960 kg).

Solução: A reação de neutralização, na qual se produz hipoclorito de sódio, é a seguinte:

Cl2 + ..NaOH + ..H2O → ..NaClO + ..NaCl + ..H2O

O equilíbrio é alcançado com a seguinte equação

Cl2 + 2 NaOH + (2 x 35,5) + 2(23 + 16 + 1) 71 + 80

H2O → NaClO + NaCl + 2 H2O

[2.1]

(23 + 16 + 35,5) 74,5

Assim, 80 kg de hidróxido de sódio reagem com 71 kg de cloro gasoso, resultando em uma solução contendo 74,5 kg de hipoclorito de sódio.

A quantidade de soda cáustica necessária será, então,

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Cl2 71 960

NaOH → →

80 x

x = 1.082 kg de NaOH

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3LEIS

Leis dos Gases

13

DOS GASES

3.1. Lei de Avogadro Há uma relação proporcional entre a massa de um gás, dada em moléculas gramas, e o seu volume, quando a pressão e a temperatura são constantes:

V = const. n

[3.1]

onde n é o número de moles. Avogadro propôs, em 1811, que, sob condições normais de pressão e temperatura, iguais volumes de gases contêm igual número de moléculas. O valor atual do número de Avogadro é 6,02 × 1023 moléculas/mol. Um mol de qualquer gás ocupa, em condições normais de pressão e temperatura, 22,4 L (ver Figura 3.1).

3.2. Lei de Boyle Quando se comprime um gás mantendo constante sua temperatura, a pressão varia inversamente com o volume:

P · V = const.

[3.2]

formulação proposta em 1662 por Robert Boyle, físico inglês.

1 volume molar de qualquer gás 22,4 litros nas C.N.T.P.

1 mol H2 (2,0 g) = 1 mol CO (28,0 g) = 1 mol He (4,0 g) = 1 mol CO2 (44,0 g) = 1 mol O2 (32,0 g) =

= 1 mol Cl2 = 1 mol NH3 = 1 mol NO = 1 mol HCl = 1 mol N2

(71,0 g) (17,0 g) (30,0 g) (36,5 g) (28,0 g)

Figura 3.1 Volume molar de um gás

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31.07.09 18:04:27

Leis dos Gases

3.4. Lei das Pressões Parciais ou lei de Dalton A lei de Dalton estabelece que a pressão total exercida por uma mistura gasosa é a soma das pressões parciais de seus componentes. A pressão parcial de um gás é a pressão que exerceria se somente ele ocupasse o recipiente à mesma temperatura da mistura. Em forma de equação,

P T = ∑ Pi

onde: PT = pressão total dos gases, atm Pi = pressão do gás índice i, atm Na atmosfera, o nitrogênio tem uma pressão parcial de 0,781 atm; o oxigênio, 0,209 atm; o argônio, 0,0093 atm; e o dióxido de carbono, 0,00033 atm. A pressão residual de 0,0004 atm é devida a diversos outros gases que existem na atmosfera em pequenas proporções. Pela lei dos gases pode-se, então, determinar a composição do ar em volume, dada na Tabela 3.1.

3.5. Efusão A efusão é o escape de um gás de um recipiente através de um orifício. O número de moléculas de um gás que passa por um

17

orifício na unidade de tempo depende de sua velocidade média. Pela teoria cinética dos gases, sendo constantes a pressão, o volume e a temperatura, a energia cinética ½nmv2 deve ser a mesma para todo gás. Assim, aplicando a expressão anterior para os gases 1 e 2, e lembrando que igual volume de gases tem o mesmo número de moléculas n, temos:

1 1 nm1 v12 = nm2 v22 2 2

ou

v1 m2 = [3.5] v2 m1

Essa é a expressão da lei de Graham, a qual estabelece que as velocidades de efusão de dois gases estão relacionadas entre si na razão inversa da raiz quadrada de suas massas.

Tabela 3.1 Composição do ar seco Componente

Volume por cento

Nitrogênio

78,09

Oxigênio

20,95

Argônio

0,93

Dióxido de carbono

0,03

EXEMPLO 3.4 Se a descarga de cloro (Cl 2) que passa pelo orifício de controle de um clorador é de 40 L/min, qual seria a descarga de gás amoníaco (NH3) correspondente se o mesmo aparelho fosse usado para o amoníaco?

Solução: As descargas sendo proporcionais às velocidades, e as massas aos moles correspondentes, pode-se escrever, com base na equação [3.5]: qNH = qCl ×

Como

resulta

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3

2

molCl

2

molNH

3

molCl2 = 2 × 35,45 = 70,9 e molNH3 = 14 + 3 × 1 = 17, qNH = 3

70,9 = 82,7 L/min 17

31.07.09 18:04:28

4SOLUÇÕES, EQUILÍBRIO

Soluções, Equilíbrio e Atividade Química

21

E ATIVIDADE QUÍMICA

U

ma solução é uma mistura homogênea de duas ou mais substâncias, cuja composição varia dentro de limites definidos. O meio dissolvente é chamado solvente e a substância dissolvida, soluto. No tratamento de água, o solvente é, geralmente, a água. O soluto pode ser sólido (sulfato de alumínio), líquido (ácido sulfúrico) ou gasoso (cloro).

Uma mistura heterogênea de duas ou mais substâncias é chamada suspensão, por exemplo, argila na água. As partículas de argila não se distribuem uniformemente na água. No fundo se encontram mais partículas que na superfície. Quando as partículas em suspensão são muito pequenas para sedimentarem livremente pela ação da gravidade e muito grandes para se dissolver, a suspensão se diz coloidal.

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31.07.09 18:08:17

Q

Soluções, Equilíbrio e Atividade Química

2

1

4

Legenda 5

3

q = rQ 10

6 7

9

27

8

1. Chegada de água bruta 2. Floculador 3. Tanque de flotação 4. Canal de descarga de lodo 5. Canal de água flotada 6. Bomba de recirculação 7. Compressor de ar 8. Tanque de saturação 9. Válvula de quebra de pressão 10. Câmara de mistura de flocos + microbolhlas

Figura 4.2 Esquema de um sistema de flotação a ar dissolvido

Este é um processo de separação sólidolíquido muito eficiente, que está despertan-

do grande interesse no tratamento de água potável e será objeto do Capítulo 11.

EXEMPLO 4.7 Sendo dados

Q = vazão que passa pelo tanque de flotação = 125 L/s r = taxa de recirculação = 10% pm = pressão manométrica no tanque de saturação = 5 kg/cm2 ≅ 5 atm pa = pressão atmosférica = 735 mmHg θ = temperatura = 20 °C,

dimensíonar o compressor de ar para o sistema de saturação de uma estação de tratamento com flotação a ar dissolvido, como a esquematizada na Figura 4.2.

Solução: 1. A vazão de recirculação é

q = rQ = (10/100) × 125 L/s = 12,5 L/s = 750 L/min

2. A pressão sobre a superfície da água no tanque de saturação é a pressão absoluta

P = pm + pa e a concentração de ar resultante na água de recirculação é

C = KH · P

Dos dados, pm = 5 atm, e pa = 735/760 = 0,97 atm; somando, resulta P = 5,97 atm. À temperatura de 20 °C, KH = 23,7 mg/L · atm; assim,

C = 23,7(mg/L · atm) × 5,97 atm = 141,5 mg/L

e a massa de ar sendo dissolvida na água de recirculação é, portanto,

M = q · C = 750 (L/min) × 141,5 (mg/L) = 106,125 mg/min ≅ 106,1 g/min

3. Para calcular o volume de ar, pode-se aplicar a equação dos gases,

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pV = nRT

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5REAÇÕES DE PRECIPITAÇÃO –

Reações de Precipitação – Termodinâmica das Reações Químicas

37

TERMODINÂMICA DAS REAÇÕES QUÍMICAS

A

dissolução e a precipitação de substâncias químicas são muito importantes no tratamento da água. A remoção de dureza, ferro, manganês, flúor e uma série de poluentes, como metais pesados e alguns compostos orgânicos, é governada por reações de precipitação.

Essas reações apresentam, também, equações de equilíbrio semelhantes àquelas usadas nos exemplos anteriores. Seja AB uma espécie química pouco solúvel. Em contato com a água, ela se dissolve levemente e forma o seguinte equilíbrio: AB ⇔ A + B onde AB representa a espécie química em estado sólido em equilíbrio na solução, quer dizer, o número de moléculas que se dissolve é igual ao número de moléculas que se precipita. Assim, [AB] em solução é constante.

Na equação de equilíbrio, portanto, pode-se fazer [AB] = Ks:

[A][B] [A][B] = =K [AB] Ks ou

[A][B] = K · K s = K ps [5.1]

Para uma substância mais complexa A m Bn, a equação de equilíbrio é [A] m [B] n = K ps A constante K ps é a chamada constante de produto de solubilidade, dada na Tabela 5.1 para algumas substâncias de interesse no tratamento da água.

Tratamento 05.indd 37

31.07.09 18:17:20

42

Água – Métodos e Tecnologia de Tratamento

Tabela 5.4 Calores específicos (cal/g °C) de algumas substâncias Água Amoníaco,

1,0 NH+4

Areia

1,07 0,25

Ferro

0,11

Mercúrio

0,033

Vidro, terra

0,20

De uma maneira simples, pode-se definir entalpia como o conteúdo total de calor (ou energia) de um corpo. Assim, o calor absorvido ou desprendido em uma reação química, e que depende da concentração dos reagentes, constitui a variação de entalpia ocorrida na reação, a qual se indica por ∆H. Tabela 5.5 Propriedades termodinâmicas de algumas espécies químicas (entalpias e energias livres padrões a 25 °C) Espécie

∆H° (kcal/mol)

∆G° (kcal/mol)

Ca2+ (aq) –129,77 –132,18 CaCO3 (s) –288,45 –269,78 CaF2 (s) –290,2 –277,5 Ca(OH)2 (s) –253,7 –214,7 CO2 (g) 94,05 –94,26 CO2 (aq) –98,69 –92,31 2– CO3 (aq) –161,6 –126,2 Cl– (aq) –40,0 –31,3 Cl2 (aq) –28,9 –19,1 – OCl (aq) –25,6 –8,8 HOCl (aq) –28,9 –19,1 H+ (aq) 0 0 – OH (aq) –55,0 –37,6 H2O (l) –68,3 –56,7 H2O (g) –57,8 –65,6 O2 (aq) –3,9 + 3,9 O2 (g) 0 0 Mg(OH)2 (s) –220,86 199,15 NH3 (g) –11,0 –4,0 NH3 (aq) –19,3 –6,4 NH4+ (aq) –31,7 –19,0 Nota: (aq) = aquoso, (s) = sólido, (l) = líquido, (g) = gas

Tratamento 05.indd 42

Um dos conceitos mais importantes da física, e talvez o mais difícil de ser compreendido, é o da entropia, mas que, felizmente, é bastante fácil de aplicar. Para os físicos, o universo é constituído de matéria e energia, cuja transformação se processa ininterruptamente. Segundo Max Plank (1900), a energia no universo transforma-se em porções mínimas chamadas quanta (1 quântum = 6,6 × 10 –34 J), extinguindo-se gradativamente e tornando-se cada vez menos própria para o trabalho mecânico.

Diz-se então que a entropia tende para um máximo. Clausius (1857) estabeleceu uma equação para a variação da entropia da energia calorífica de um sistema, que é

∆s = ∆Q/T

sendo ∆Q a variação de calor no sistema e T a temperatura absoluta.

O calor de reação ou entalpia ∆H°r da reação química

aA + bB + … ⇔ pP + qQ + …

é a soma das entalpias dos produtos menos a soma das entalpias dos reagentes. Como as entalpias são dadas em kcal/mol (ou em kJ/mol), esses valores devem ser multiplicados pelo número de moles envolvidos, ou seja, pelos coeficientes estequiométricos respectivos: ∆H°r = (pHp° + qHQ°) – (aH A° + bH B°)

[5.3]

31.07.09 18:17:21

6O SISTEMA

O Sistema Carbonato

47

CARBONATO

O

dióxido de carbono, os carbonatos e bicarbonatos e os íons de cálcio constituem os principais componentes do sistema carbonato, que participa com uma importância fundamental na química da água, e cuja perfeita compreensão é crucial para aqueles que lidam com o tratamento de água. Seu estudo inclui problemas relacionados principalmente com o controle da corrosão e com o abrandamento da água, envolvendo a saturação do carbonato de cálcio.

Uma água estável é aquela que não provoca incrustações nem corrosão. Quimicamente, uma água estável não precipita nem dissolve o carbonato de cálcio. A deposição de uma fina camada de carbonato é desejável para proteger as canalizações contra a corrosão, porém uma excessiva precipitação de carbonato poderá comprometer sua capacidade de condução de água.

6.1. Sais do ácido carbônico Os componentes básicos do sistema carbonato são: a água (H 2O), o dióxido de carbono (CO2), o ácido carbônico (H 2CO3) e os íons hidrogênio (H+), hidroxila (OH –), bicarbonato (HCO3–), carbonato (CO3=) e cálcio (Ca 2+).

Tratamento 06.indd 47

31.07.09 18:20:51

55

–120

e ad

60

0 10

26

11,4

20

–200 0

0

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8

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–80

A

240

200

160

120

80

40

0

–40

–80

–120

–160 34

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38

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to 140

Cálcio 0 0

0

46

18 0

–160

0

0

50

22

l ta

42 0

–200

–200

–240

–280

–320

–360

–400

–440

–480

–520

O Sistema Carbonato

–160 –120

1

–80 11,0

80

–40 0

–40 20 10

10,8

0

10 20

10,0

40

9,7

80

40 60

80

1

8,8

120

8, 11,3

200

1

140

11,2

11,0 10,9

pH

10,8

320

10,7 10,6

ida

400

10,2 200

400

7,0

Cálcio

Ca(OH)2 –

OH

520

pH

600

7

640 220

0 34

680

720

260

42

300

340

380

38

420

6

720

0

0

6,

460

500

760

760 240

200

160

120

80

40

0

–40

–80

–120

–160

–200

–240

–280

–320

–360

–400

–440

–480

Cálcio –520

520 560

6,

Diagrama de direções

680

480

600

HCO3– CO2

640

8

300

CO3– –

H+Mg–

6,

180

Ca+2

440

0

6,9

l

480

260

14

tota

440

560

360

de

10,1

220

0

10,3

320

7,1

10

10,4

alin

360

30 40 50 60 80 100

280

7,2

Alc

10,5

20

180

60

280

240

7,6

Magnésio

240

3 4 5 6 8 10

200

7,8

2

20

11,1

160

2

0

160

Acidez

120

100

(Alcalinidade) — (Cálcio) Obs.: 1. Para as seguintes condições: Temperatura = 25 °C Força iônica = µ STD = 400 2. Todas as unidades em mg/L CaCO3

Figura 6.5 Diagrama de Caldwell-Lawrence

O diagrama de Deffeyes é utilizado somente em condições que não envolvem a

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precipitação de carbonato ou que alterem a condição de equilíbrio do CO2 com a atmosfera.

31.07.09 18:20:52

7PARÂMETROS DE QUALIDADE

65

Parâmetros de Qualidade e Definição de Processos de Tratamento

E DEFINIÇÃO DE PROCESSOS DE TRATAMENTO

7.1. Parâmetros de Qualidade Na natureza, calcula-se que existe um total de 45 × 1045 moléculas de água, nos estados líquido, gás (vapor) e sólido (gelo), correspondendo a um volume de 1.360.000 milhões de m3. Apesar dessa aparente abundância, somente cerca de 0,62% são aproveitáveis para as atividades humanas, como mostra a Tabela 7.1.

Tabela 7.1 Distribuição da água na Terra Locação

Volume, 1012 m3

% do Total

Áreas terrestres Lagos de água doce

125

0,009

Lagos salinos e mares interiores

104

0,008

Rios Umidade do solo Água subterrânea (acima da prof. de 4.000 m) Geleiras e glaciares de altitude Atmosfera

1,25 67

0,0001 0,005

8.350

0,61

29.200

2,14

37.800

2,8

13

0,001

Oceanos

1.320.000

TOTAL

1.360.000

97,3 100

Fonte: Todd, D. K. : The Water Encyclopedia

A molécula de água é constituída por dois átomos de hidrogênio unidos a um de oxigênio, formando um ângulo de 105° (Figura 7.1).

Devido a essa forma assimétrica, a molécula resulta positivamente carregada do lado dos átomos de hidrogênio e negativamente do lado do oxigênio. A separação de cargas ou dipolo resultante induz a formação de forças atrativas entre as moléculas de água, a que se chama de enlaces de hidrogênio, responsáveis pelas propriedades físicas e

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31.07.09 18:31:13

Parâmetros de Qualidade e Definição de Processos de Tratamento

Tabela 7.11 Grupos representativos de algas e cianobactérias Designação usual Bacilariófita Diatomáceas Clorófita Crisófita Cianobactéria Dinófita Euglenófita Feófita Rodófita

Algas verdes Algas amarelo-douradas Algas verde-azuladas Dinoflagelados Euglenas Algas marrons Algas vermelhas

83

Membros representativos Asterionela, Diatoma ciclotella, Flagilaria, Navícula, Melosidra, Sinedra, Tabellaria Clamidonomas,Oocistos, Scenedesmus, Selenastrum, Ulotri Chrysosphaerella, Dinobryon Anabaena, Anacystis (Microcystis), Oscilatória, Spirolina Ceratium, Peridinium, Euglena, rbinariaTrachelomas Macrocystis, Sargassum, Turbinaria Chondrus, Coralina

Figura 7.10 Algas que produzem sabor e odor

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31.07.09 18:31:22

8COAGULAÇÃO –

Coagulação – Mistura Rápida

91

MISTURA RÁPIDA

8.1. COAGULAÇÃO E MISTURA RÁPIDA O processo de coagulação, usado na maioria das estações de tratamento, envolve a aplicação de produtos químicos para a precipitação de compostos em solução e desestabilização de suspensões coloidais de partículas sólidas, que, de outra maneira, não poderiam ser removidas por sedimentação, flotação ou filtração.

A coagulação e a floculação desempenham um papel dominante na cadeia de processos de tratamento de água, principalmente na preparação da decantação ou da flotação e, assim, na filtração que se segue.

O sucesso dos outros processos depende, portanto, de uma coagulação bem-sucedida. Por esse motivo, a coagulação tem sido objeto de extensivos estudos e pesquisas no decorrer do século, desde os fundamentos teóricos estabelecidos por Smoluchowski em 1919 e aplicações práticas desses princípios por Camp na década de 1950, aos trabalhos mais recentes de Hudson, Ives, Kaufman, Singley, Amirtharajah, Hahn, Tambo, entre outros. A aplicação desses novos conceitos, juntamente com o surgimento de novos agentes coagulantes, constitui-se em uma das mais importantes contribuições à tecnologia de tratamento de água, e o seu conhecimento vai ajudar o engenheiro na identificação das possibilidades e deficiências dos diversos dispositivos de processo, permitindo a otimização global da cadeia de processos de uma estação de tratamento de água a partir da coagulação-floculação.

8.1.1. Características do processo Na literatura sobre tratamento de água, encontram-se diferentes interpretações para os termos “coagulação” e “floculação”, frequentemente aplicados como sinônimos.

Em uma acepção abrangente, coagulação é a alteração físico-química de partículas coloidais de uma água, caracterizada principalmente por cor e turbidez, produzindo partículas que possam ser removidas em seguida por um processo físico de separação, usualmente a sedimentação. A coagulação pode ser considerada como um processo constituído de duas fases subsequentes: a primeira – a coagulação,

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100

Água – Métodos e Tecnologia de Tratamento

não perfeitamente compreendido, e, sobre ela, estabeleceram-se teorias que estão sendo objeto de comprovações experimentais, não mutuamente exclusivas, como: • a que procura explicar a coagulação pela compressão da dupla camada de íons que envolvem a partícula • a que admite que a coagulação ocorre por reações químicas específicas entre as partículas coloidais e os coagulantes

Quando se aplica um coagulante à água, geralmente um sal de alumínio ou de ferro, ocorrem reações de hidrólise e de polimerização, como mostrado no item anterior, as quais sofrem a influência do pH e das espécies iônicas presentes na água, da concentração e do tipo dos coloides, do tipo e dose de coagulante aplicado e das condições de mistura do coagulante com a água. Esses fatores determinam a eficiência da coagulação, de acordo com o principal mecanismo de interação coagulantepartícula.

A Figura 8.3 resume em forma esquemática os mecanismos predominantes na coagulação com sulfato de alumínio: • A adsorção das espécies hidrolíticas solúveis pelo coloide e sua desestabilização.

• A coagulação por arrasto, na qual o coloide é entrelaçado pelo precipitado de hidróxido.

A operação das estações de tratamento de água e resultados de pesquisas recentes (Ishibashi, 1980) parecem dar mais crédito à teoria química. Nessas pesquisas, observou-se a formação de flocos de sulfato de alumínio com o microscópio eletrônico e verificou-se que a adsorção de íons e o entrelaçamento das partículas com o precipitado de hidróxido de alumínio explicam melhor o fenômeno da coagulação do que a teoria da compressão da dupla camada.

Coagulantes

Rápido Rápido-lento (10–4 – 1 sec) (1 – 7 sec) Al2(SO4)3 — 14,3 H2O—AKH2Cl3+ + SO42– + H2O—Al(OH)2– + Al(OH)+2 + Al7(OH)17—Al(OH)3(s) + Solução de Al Água a tratar (Coloide)

Al(OH)

Al(OH)3

Espécies hidrolizadas (baixa dose Al)

(Dose alta de Al) Coloide

Coloide

Muito rápido 10–4 sec.

Al(OH)

+ H+

Baixa turbidez

Alta turbidez

Al(OH)3

Al(OH)17

Coloide Al(OH)

Al(OH)17

Al(OH)3

Coloide Al(OH)3

Absorção-Destabilização

Floc

Al(OH)3

Al(OH)3

Al(OH)3

Al(OH)3

Coloide Al(OH)3

Al(OH)3

Coagulação por arrastro

Figura 8.3 Esquema das reações de coagulação com sulfato de alumínio (Adaptado de Armitharajah. 1985).

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31.07.09 18:40:34

9FLOCULAÇÃO

Floculação

127

N

a cadeia de processos de uma estação de tratamento, a coagulação é geralmente seguida pela floculação, que pode ser definida como o processo de juntar partículas coaguladas ou desestabilizadas para formar maiores massas ou flocos, de modo a possibilitar sua separação por sedimentação (flotação) e/ou filtração da água. É, sem dúvida, o processo mais utilizado para a remoção de substâncias que produzem cor e turbidez na água.

Nos tanques de floculação, os pequenos microflocos aglutinam-se formando flocos, que, ao saírem dos tanques, devem ter tamanho e densidade adequados ao processo de remoção que segue: clarificação por sedimentação ou por flotação e/ou filtração. Ao contrário da sedimentação, nos processos de flotação e filtração direta não é desejável a formação de um floco volumoso. O processo de agregação é dependente da duração e da quantidade de energia aplicada (gradiente de velocidade). A energia aplicada para a floculação pode ser comunicada, como na mistura rápida, por meios hidráulicos, mecânicos e/ou pneumáticos, a diferença caracterizando-se pela intensidade, que, na floculação, é muito menor.

Não obstante a floculação, como uma ajuda à sedimentação e filtração, vir sendo praticada há séculos, foi somente no decorrer do século XX que se incorporou suficiente conhecimento sobre o processo, particularmente nos trabalhos de Smoluchowski, Camp , Hudson e Kaufman, entre outros, permitindo o projeto racional das unidades de floculação com o desenvolvimento da teoria da cinética da floculação.

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31.07.09 18:58:09

150

Água – Métodos e Tecnologia de Tratamento

9.2.3. Floculadores mecânicos Os floculadores mecânicos distinguem-se basicamente, pelo tipo de movimento, em giratórios e alternativos ou oscilantes. Os primeiros podem ser de paletas (Figura 9.9) que operam a baixas velocidades de rotação, ou turbinas (Figura 9.10) a velocidades relativamente altas. Os floculadores alternativos apresentam dois tipos básicos conhecidos por “Walking Beam” e “Ribbon Flocculator”. Consistem basicamente em sistemas oscilantes, e distinguem-se entre

Figura 9.10 Floculador mecânico de turbina Figura 9.9 Floculador mecânico de paletas

si pela velocidade angular, que é constante no “Ribbon Flocculator” e uma função senoidal no “Walking Beam”.

Figura 9.11 Floculador tipo “Walking Beam”

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31.07.09 18:58:21

10 SEDIMENTAÇÃO

Sedimentação e Decantação

159

E DECANTAÇÃO

10.1. INTRODUÇÃO A sedimentação é um processo físico que separa partículas sólidas em suspensão da água, e é um dos mais comuns no tratamento da água.

Consiste na utilização das forças gravitacionais para separar partículas de densidade superior à da água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento. Normalmente, a água contém materiais finamente divididos, no estado coloidal ou em solução, que não podem ser removidos por sedimentação simples, sendo necessária a adição de coagulante para formar aglomerados ou flocos que sedimentam com maior facilidade.

A remoção de partículas discretas é realizada pela sedimentação simples nos pré-sedimentadores e sua aplicação geralmente se faz para remover partículas de diâmetro igual ou superior a 0,1 mm (100 µm).

A sedimentação de partículas floculentas é usualmente chamada de decantação, e as unidades onde se realiza esse processo, de tanques de decantação ou, simplesmente, decantadores.

Os primeiros decantadores foram tanques de fluxo horizontal e seu uso foi bastante difundido a partir do século XIX. Suas principais vantagens se manifestam em sua inerente simplicidade, alta eficiência e baixa sensibilidade a condições de sobrecarga. Por esses motivos, sua utilização é ainda defendida por diversos engenheiros. Com os estudos teóricos e pesquisas aplicadas principalmente a partir da segunda metade do século XX, desenvolveu-se o chamado decantador tubular ou de alta taxa, o qual, se resultante de um correto projeto hidráulico, pode alcançar eficiência superior aos decantadores convencionais de fluxo horizontal.

Seu mais recente e forte concorrente na função de clarificação da água prévia à filtração são os tanques de flotação ou flotadores, cujo emprego está se propagando rapidamente na América Latina.

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Sedimentação e Decantação

10.7.5. A seguir: o problema de adaptação de decantadores convencionais – Cascavel Deve-se, portanto, criar facilidades para fazer o fluxo de água floculada o mais uniforme possível e de baixo para cima. Por sua vez, o aumento de capacidade de estações existentes com decantadores de fluxo horizontal com a aplicação de módulos tubulares é uma alternativa muito atraente, como se viu na Figura 10.18 provoca correntes preferenciais e curto-circuitos prejudicanto sobremaneira o processo de decantação. A solução, utilizada pela primeira vez pelo engenheiro Carlos Richter no projeto da ETA da cidade de Cascavel (PR) em 1979, foi introduzir canais de dis-

C

0,0 =1

tribuição de água floculada ao longo do tanque de decantação.

A remoção de lodo era feita por um removedor flutuante, tipo “Clarivac” de fabricação Leopold. Posteriormente, novos projetos adotaram a disposição de três canais superpostos, como indicado na Figura 10.22. Uma outra solução mais simples e não menos eficiente é fazer o decantador tubular em fluxo horizontal, com lâminas de plástico esticadas, como o mostrado na Figura 10.16, cujo dimensionamento será apresentado adiante.

10.7.6. Decantadores tubulares de fluxo horizontal Se o decantador tubular tem fluxo horizontal através de placas ou lâminas planas paralelas, como as da Figura 10.23, a

Ca

na

0m

Placas de cimento amianto Canal de distribuição de água floculada

187

ld

eá

gu

ad

eca

nta

da

Canaletas de coleta de água decantada 60° 2,4 0 a/2 m

Canal de descarga de lodo

2,4 0 a/2 m

Figura 10.22 Esquema do decantador com três canais superpostos

Tratamento 10.indd 187

31.07.09 19:40:36

11 FLOTAÇÃO A

Flotação a Ar Dissolvido

219

AR DISSOLVIDO

11.1. Introdução A flotação é o processo no qual a fase sólida, com uma densidade menor que a do líquido de suspensão, é separada do líquido, permitindo-a flutuar para a superfície. O processo é aplicado há mais de 100 anos na indústria de mineração para separar minérios de uma mistura heterogênea. Tem sido usado também no adensamento de lodos domésticos e industriais. A sua aplicação no tratamento de água para abastecimento é bastante recente, iniciada há cerca de 30 anos na Suécia e África do Sul. No Brasil, a aplicação pioneira foi nas Indústrias Döhler, em Joinville (SC), com capacidade inicial de 250 m3 /h, começando sua operação em 1992.

No sistema de flotação a ar dissolvido (FAD), as partículas sólidas são removidas da água e flutuam (flotar), reduzindo-se sua densidade pela adesão de pequeníssimas bolhas de ar. Nesse processo, como mostra o esquema dado na Figura 11.2, as bolhas de ar são geradas pela súbita redução de pressão na corrente líquida saturada de ar, proveniente da câmara ou tanque de saturação. Por meio de uma bomba, uma pequena quantidade da água clarificada (5% a 10% da vazão que passa pela unidade) é elevada à pressão de 4-5,5 atm e conduzida ao tanque de saturação, onde se torna saturada de ar alimentado por um compressor. Esta água, que é recirculada no sistema, vê sua pressão diminuída bruscamente, liberando uma grande quantidade de microbolhas de ar, que aderem aos flocos já formados, fazendo-os flutuar.

Os flocos sobem e se acumulam na superfície do tanque, formando uma capa de lodo de espessura crescente, removida periodicamente mediante raspadores superficiais.

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31.07.09 19:47:57

Flotação a Ar Dissolvido

231

A Figura 11.9 mostra tanques de saturação de um sistema de flotação de grande importância. O controle da entrada de ar pode ser feito por meio de uma instalação como a mostrada na Figura 11.10, tendo como peças principais um rotâmetro para ar e uma válvula solenoide acionada por uma chave de nível instalada no tanque de saturação. A pressão interna na câmara de saturação é determinada pelo sistema de ar. Estando a válvula de entrada de ar (válvula solenoide) fechada, o ar no interior da câmara vai sendo absorvido pela água e a pressão interna tende a baixar, e o nível d’água, em consequência, a subir, acionando a chave de nível, que atua abrindo a válvula solenoide e permitindo a entrada de mais ar ao sistema. Dependendo da temperatura da água, a entrada de ar pode ser regulada de modo a equilibrar o sistema, permitindo uma admissão contínua de ar.

11.5. Formação das microbolhas

Figura 11.9 Tanque de saturação Laguna Del Sauce, Uruguai

Figura 11.10 Caixa de controle (Usina de ar – Jaraguá do Sul, SC)

Tratamento 11.indd 231

A eficiência da flotação a ar dissolvido depende da quantidade e do tamanho das microbolhas que são formadas na zona de reação (ou de contato). Para sua geração, utilizam-se válvulas e bocais com orifícios de pequeno diâmetro que têm a finalidade de reduzir bruscamente a pressão na linha de água saturada. O fenômeno da cavitação que ocorre neste ponto, devido à súbita quebra de pressão, é o responsável pela liberação de ar e vapor que implodem em microbolhas. A implosão de ar que forma os núcleos iniciais de microbolhas se dá quase instantaneamente, em frações de segundo. O diâmetro dnb desses núcleos e, portanto, das bolhas resultantes após sua coalescência é inversamente proporcional à queda de pressão σ dnp = 4 [11.17] ∆P

onde: σ = tensão superficial (N/m) ∆P= diferencial de pressão (Pa = N/m2)

31.07.09 19:48:02

12 FILTRAÇÃO

Filtração

237

12.1. INTRODUÇÃO A primeira instalação para tratamento de água para consumo humano de que se tem notícia é atribuída a John Gibb, que construiu um filtro lento de areia em Paisley, na Escócia, em 1804. Outras localidades adotaram o método com sucesso, tanto que na Inglaterra tornou-se obrigatória a filtração de água de rios para consumo humano a partir de l852. Um exemplo tocante da segurança sanitária da água filtrada foi demonstrado no surto de cólera de 1892. Hamburgo e Altona são duas cidades, formando um único conjunto urbano, à margem do e abastecidas pelo rio Elba. Durante a epidemia de cólera, Altona, que possuía filtros lentos, não registrou casos dessa doença, enquanto Hamburgo, que não tinha instalações de filtrações, registrou 8.000 mortes.

A filtração é, provavelmente, o processo unitário mais importante na cadeia de processos de tratamento de água, podendo ser o único, como na filtração lenta, ou apenas precedido pela coágulo-floculação, como na filtração direta. Tradicionalmente os filtros são classificados em lentos e rápidos, diferenciados pela taxa com que trabalham e pelo método de limpeza. Os filtros rápidos operam a taxas superiores a 40 vezes a taxa com que operam os filtros lentos, e frequentemente limpos por lavagem a água a contracorrente, em uma operação rápida de limpeza (alguns minutos). Os filtros lentos são limpos com menor frequência, por remoção geralmente manual da camada superior do leito, onde se acumulam as impurezas, em operação que pode durar muitas horas. Neste capítulo, será dada ênfase à filtração rápida, que é o processo mais utilizado. A Tabela 12.1 compara as principais características dos filtros lentos e rápidos.

A filtração é um processo físico-químico e, em alguns casos, biológico (filtros lentos) para a separação de impurezas em suspensão na água, mediante sua passagem por um meio poroso. Diversos materiais granulares podem ser usados como meio poroso. A areia é o mais comum, seguido do antracito, areia de granada, carvão ativado granular etc. O tamanho dos grãos e do vazio entre os grãos (poros) tem grande influência na remoção de matéria em suspensão pelo filtro e no seu desempenho hidráulico.

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31.07.09 20:06:54

Filtração

255

Figura 12.12 Movimentação da camada suporte por má distribuição de ar (Cortesia FBLeopold)

Outro fator a considerar no dimensionamento de um sistema de lavagem a ar é que o valor da perda de carga no fluxo de ar na lavagem de um filtro de granulometria fina é significativo, como se viu no exemplo de aplicação, principalmente porque os sopradores de ar utilizados são máquinas de baixa pressão.

Figura 12.13 Fundo tipo universal para ar e água (Cortesia FBLeopold)

Tratamento 12.indd 255

31.07.09 20:07:00

13 DESINFECÇÃO –

Desinfecção – Cloração e outros processos

277

Cloração e outros processos

13.1. INTRODUÇÃO Milhares de seres vivos são encontrados na água, da escala macroscópica (peixes, algas etc.) à microscópica (vírus, bactérias, algas etc.).

Os seres vivos de maior interesse no tratamento de água podem ser agrupados como na Figura 13.1.

Os micro-organismos são de considerável importância no controle da qualidade da água e a maioria é benéfica, principalmente na autopurificação de um corpo d’água. Entretanto, algumas espécies são responsáveis por doenças como a febre tifoide, sabor e odor na água, corrosão de estruturas de concreto ou de metais etc.

Bactérias

Algas

Vírus Características hidrobiológicas

Vermes

Protozoários

Figura 13.1 Características hidrobiológicas de qualidade

Tratamento 13.indd 277

31.07.09 20:13:11

278

Água – Métodos e Tecnologia de Tratamento

13.2. Bactérias São organismos unicelulares, classificados geralmente pela forma (ver Figura 13.2).

Variam em tamanho de 0,5 a 5 mm. A maior parte é inofensiva, porém algumas espécies encontradas na água são patogênicas (Tabela 13.1).

Tabela 13.1 Algumas bactérias patogênicas transportados pela água

Doença

Bactéria causadora

Febre tifoide

Salmonela typhi

Febre paratifoide

Salmonella paratyphi

Disenteria bacilar

Shigella

Cólera

Vibrio cholera

Leptospirose

Leptospira icterohaemorrahgia

Legionelose

Legionella

É praticamente impossível garantir segurança da água através de análises individuais de organismos patogênicos (que podem estar presentes em tão pequenas quantidades que são difíceis de detectar).

Em vez disso, a prática usual consiste em examinar a presença de uma única espécie de bactérias. Consequentemente, o exame da água por organismos específicos é limi-

tado à deflagração de um surto de uma doença relacionada à água.

Uma classe importante de bactérias é representada pelos coliformes. Os coliformes se encontram largamente espalhados no meio ambiente e nas fezes humanas e de animais de sangue quente. A presença de bactérias coliformes na água pode indicar a presença de organismos causadores de doenças. Desse modo, as bactérias coliformes (compreendendo mais de 30 espécies) são usadas como indicadores da qualidade da água pelas seguintes razões: • Os coliformes estão sempre presentes quando o esgoto está presente.

• Os coliformes estão sempre ausentes quando o esgoto está ausente.

• A presença de patogênicos pode ser associada à de coliformes.

• Sobrevivem mais tempo na água do que todas as bactérias patogênicas.

• A análise de coliformes na água é relativamente simples, rápida e eficiente (ver “Características Hidrobiológicas” no Capítulo 7 – Parâmetros de Qualidade).

Algumas observações feitas no Estado de São Paulo (Azevedo Netto, 1966) (Tabela 13.2) mostram a possibilidade de purificação, pelos processos convencionais, de águas relativamente poluídas.

Bacilos

Cocos

Figura 13.2 Formas de bactérias

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Espirilos

Figura 13.3 Colônia de coliformes

31.07.09 20:13:11

Anexo 1

Anexo 1

307

O uso do “Jar-test” na otimização e no projeto de estações de tratamento de água

A1.1. INTRODUÇÃO O “Jar-test” ainda é – e provavelmente vai continuar a ser – o método mais utilizado e o mais útil para avaliar o processo de coagulação-floculação e seus efeitos nas fases subsequentes do tratamento: decantação (ou flotação) e filtração.

Diversas são as informações que se podem obter com o uso adequado do aparelho de Jar-test, entre elas: dosagem ótima de coagulante e outros reagentes, concentração (diluição) ótima, intensidade e tempo de floculação, sequência de aplicação de reagentes etc.

Informações como essas são importantes para o projeto de uma nova estação de tratamento ou para a otimização ou ampliação de uma existente.

Aqui serão delineados alguns procedimentos de Jar-test, que permitirão aos seus usuários obter facilmente os dados que necessitam, sejam para a operação ou para o projeto de uma estação de tratamento água. Todos os exemplos foram tomados de situações reais, em trabalhos de campo do autor.

A determinação das dosagens requeridas de coagulante, auxiliares de coagulação etc., é o uso mais comum de um aparelho de Jar-test.

A cada jarro são adicionadas diferentes doses de coagulante, por exemplo, 5, 10, 15, 25 e 30 mg/L de sulfato de alumínio, e as amostras são agitadas à máxima rotação do aparelho por um período de 30 segundos a 1 minuto e depois floculadas por 15 minutos a uma rotação de 40 a 50 rpm.

Deixa-se decantar por uns 10 minutos e a seguir mede-se a turbidez do sobrenadante de cada béquer .

Os resultados podem ser colocados em um gráfico.

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31.07.09 20:17:04

Anexo 2

Anexo 2

319

Polieletrólitos para o tratamento de água

A2.1. Introdução Polímeros orgânicos têm sido usados como auxiliares de coagulação ou como floculantes primários para melhorar a eficiência da floculação no tratamento de água para uso potável e na desidratação de lodos já há 30 anos. Atualmente o seu uso tem se expandido, com a finalidade de atender às crescentes exigências de qualidade da água potável e conservação do meio ambiente, que leva os responsáveis pelos sistemas de abastecimento e pesquisadores a propor estratégias para otimizar os processos de coagulação e floculação. Em 1990, mais da metade das estações de tratamento nos Estados Unidos usava um ou mais tipos de polieletrólitos para aumentar a eficiência do tratamento.

Um relatório da American Water Water Association mostra que, de 23 estações de tratamento que produziam uma água filtrada da mais elevada qualidade, 20 usavam um ou mais polieletrólitos como auxiliares de coagulação e/ou de filtração.

Os polímeros são disponíveis em uma numerosa variedade de produtos: catiônicos, aniônicos e não iônicos, aplicados em diferentes situações. Os polímeros não produzem flocos volumosos e gelatinosos como os produzidos por coagulantes metálicos, sendo, portanto, ideais para a filtração direta e para a flotação.

Uma grande oferta de produtos existe no mercado, oferecida por uma série de fabricantes, entre eles Allied Colloids, Calgon Corp., Cyanamid, Dow Chemical, Drew Chemical, Nalco, Stockhausen etc.

No Brasil, além da demanda por uma água de melhor qualidade, a escassez de recursos financeiros para ampliação de sistemas de abastecimento público estimula a pesquisa por métodos de otimização dos processos de coagulação e floculação, e, assim, o emprego de polímeros no tratamento da água, que vai permitir aumentar a produção sem expansão física da estação de tratamento.

Tratamento 14A2.indd 319

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Anexo 3

Anexo 2

327

Condições de mistura em canaletas Parshall Número de Froude, tempo de mistura e gradientes de velocidade em função da vazão, para diversos tamanhos.

Q

W = (m) 0,305

0,457

(L/s)

F1

T(s)

G(s–1)

60

3,20

0,80

1.190

80

2,90

0,85

100

2,70

0,90

0,610

F1

T(s)

G(s–1)

1.100

3,30

0,70

1.290

1.040

3,10

0,80

1.210

F1

T(s)

G(s–1)

3,50

0,90

1.180

150

2,30

1,00

920

2,70

0,90

1.080

3,00

0,80

1.090

200

2,10

1,00

840

2,60

0,90

1.000

2,70

0,85

1.100

400

1,70

1,05

640

2,00

1,00

800

2,20

1,00

905

1,80

1,00

690

1,90

1,00

790

1,80

1,00

710

600 800 Q

0,915

1,220 –1

(L/s)

F1

T(s)

G(s )

150

3,50

0,70

1.380

F1

T(s)

1,830 –1

G(s )

F1

T(s)

G(s–1)

200

3,10

0,80

1.270

3,50

0,70

1.400

400

2,50

0,90

1.050

2,80

0,80

1.160

600

2,20

1,00

940

2,50

0,90

1.040

2,80

0,80

1.190

800

2,00

1,00

865

2,30

0,95

970

2,60

0,90

1.100

1.000

1,90

1,00

800

2,10

1,00

900

2,40

0,90

1.040

1,90

1,00

790

2,10

1,00

930

2.000

2,00

1,00

860

2.500

1,90

1,00

800

1.500

Nota 1: Os valores acima da linha quebrada apresentam condições ótimas de mistura com ressalto estável. Os valores abaixo podem ser aceitos com restrições (ressalto oscilante).

Nota 2: Para o cálculo foi fixada a temperatura de 17,5 °C. Para outra temperatura, o gradiente de velocidade deve ser multiplicado pelo fator

ρg , K = 3, 31 · 104 µ

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onde r é a densidade em kg/m3 e µ é o coeficiente de viscosidade dinâmica em N · s/m­2 para a temperatura dada.

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Anexo 4

Anexo 2

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Análise granulométrica de material granular para filtros

A determinação do tamanho efetivo e do coeficiente de uniformidade em um material granular (areia ou antracito) é feita mediante análises granulométricas. O equipamento necessário inclui uma pequena placa de metal para a secagem da amostra, um conjunto padronizado de peneiras e uma balança para pesar o material.

O material a ser examinado deve ser cuidadosamente misturado e, em seguida, seco. A quantidade a ser examinada é variável, sendo suficiente uma amostra entre 200-500 gramas.

A amostra é colocada sobre uma superfície plana e aplanada de modo a apresentar uma conformação circular como a sugerida na Figura A4.1, e é, então, reduzida pelo método do quarteamento.

A amostra circular é dividida em duas partes iguais, e cada uma destas subdividida em duas metades. Se a amostra ainda permanecer muito grande, a operação de quarteamento deve ser repetida.

Com uma série de peneiras Tyler, selecionam-se quatro a seis peneiras que vão separar a amostra em parcelas de diversos tamanhos.

Pilha achatada

Pilha em metades

Pilha em quartos

Amostras reduzidas

Figura A4.1 Método do quarteamento

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Anexo 5

Anexo 5

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Algas em mananciais

A5.1. A origem do problema As algas são vegetais clorofilados que são encontrados em todos os mananciais. Na maioria, são organismos unicelulares e podem constituir massas visíveis, frequentemente na forma de filamentos, podendo atingir tamanhos consideráveis.

O desenvolvimento das algas depende da presença de nutrientes, principalmente fósforo e nitrogênio, da luz solar e de outros fatores, sobretudo relacionados com o estado trófico da água.

Um manancial oligotrófico é um com baixo nível de nutrientes e matéria orgânica. A água é límpida e praticamente livre de vida aquáticas, por exemplo, o lago Santa Maria, que abastece a cidade de Brasília (DF). Mesotrópico é um estado em que a quantidade de nutrientes é moderada e a vida vegetal e animal é ainda incipiente. Um lago eutrófico é aquele no qual grande quantidade de nutrientes e matéria orgânica sustentam uma grande diversidade de vida vegetal e animal, sendo exemplo característico a represa Gavião, em Fortaleza (CE).

A presença de algas em mananciais de abastecimento de água é um problema sério para os administradores dos sistemas públicos de distribuição. A presença de sabor e odor é um transtorno para os consumidores, enquanto a destruição dos filtros, com os custos que isso acarreta, está se tornando cada vez mais frequente.

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