aula 08 - tecnicas de tratamento - parte 4 - 15.09

Tratamento de

Água e Efluentes

2º. Sem./2010

Eng.Ambiental

Programa

I UNIDADE

• Introdução – Histórico - Panorama

• Caracterização das Águas e Esgotos

• Princípios Químicos, Físicos e Biológicos do TA

• Interpretação de Análises e Elaboração de Laudos

• Considerações Projetos e Técnicas de Tratamento

• Tecnologia para Tratamento de Água

• Parâmetros de controle de qualidade de Água

• Legislação Aplicada e Padrões

I UNIDADE

• Introdução – Histórico - Panorama

• Caracterização das Águas e Esgotos

• Princípios Químicos, Físicos e Biológicos do TA

• Interpretação de Análises e Elaboração de Laudos

• Considerações Projetos e Técnicas de Tratamento

• Tecnologia para Tratamento de Água

• Parâmetros de controle de qualidade de Água

• Legislação Aplicada e Padrões

Nesta Aula Veremos ...

Mini Seminário – ?

Desinfecção

Fluoretação

Controle pH

Escolha da Tecnologia de Tratamento

Técnicas de

Tratamento

Desinfecção

Fluoretação

Controle pH

Produtos

Químicos

Reator de

mistura

Capitação

Aerador

Sedimentador

Floculador

Câmara desinfecção

Reservatório

Agua Tratada

Químicos controle

de pH e fluoretação Agente

oxidante

Rio ou

Filtro

Esquema Convencional

Técnicas de Tratamento

Filtração - Efeitos

Parâmetro Processos

Aeração Sedimen-

tação

Filtração

Coagula-

ção e

filtração

rápida

Correção

dureza e

filtração

rápida

Desinfec-

Bactérias 0 ++ ++++ ++++ (7) +++ (9) ++++

Cor 0 0 ++ ++++ ++++ 0 (10)

Turbidez 0 +++ ++++ (6) ++++ +++++ 0

Odor/Sabor ++++ (1) + +++ ++ ++ ++++ (11)(12)

Dureza + 0 0 - - ++++ 0

Corrosão +++ (2)

- - - (3)

0 0 - - (8) variável 0

Fe e Mn +++ (4) + (5) ++++ (5) ++++ (5) ++ 0 (10)

+ Efeito favorável

- Efeito adverso

Filtração - Efeitos

Legenda (1)Exceção para os sabores devido a clorofenóis

(2)Pela remoção de CO2

(3)Com adição de oxigênio

(4)Aeração seguida de uma unidade separadora para deposição

(5)Após a aeração

(6)Sujam-se ou entopem muito depressa

(7)Um pouco irregularmente

(8)A coagulação com sulfato de alumínio libera CO2

(9)Tratamento com cal em excesso

(10) Pode remover Fe e ter efeito sobre a cor

(11) Supercloração seguida de descloração

(12) cloração normal

Adaptado: Richter, Carlos – Tratamento de Água – Tecnologia

Atualizada, Ed. Blücher Ltda

Desinfecção

Objetivo: Eliminar ou

inativar os microrganismos

patogênicos e os

indicadores presentes na

água e prevenir o

crescimento microbiológico

nas redes de distribuição.

Desinfecção

Para cloro – P. 518/2004:

Cloro residual – 0,5 mg/L

(após desinfecção)

Cloro residual – 0,2 mg/L

(em qualquer ponto da

Desinfecção

Definição:

Processo de

destruição de

todas as formas de

vida microscópica

Esterilização

Bacteria Virus Protozoarios

Giardia Cryptosporidum Entameoba Microsporidium

Coxsackievirus

Hepatitis A Reovirus Calicivirus Enterovirus

Adenovirus Echovirus Poliovirus

Campylobacter Escherichia coli Salmonella Yersinia Vibrio Legionella Aeromonas Mycobacterium Shigella Pseudomonas

Microrganismos Patogênicos

CISTOS DE Giardia muris E OOCYSTOS

DE Cryptosporidium parvum

Giardia (7 - 14 µm )

(infecção intestinal)

Cryptosporidium (3 - 5 µm)

(diaréia)

Desinfecção - Agentes

Agentes Físicos

Temperatura

Radiação UV

Radiação solar

Filtração

Agentes Químicos

Cloro e compostos

Dióxido de cloro

Ozônio

Peróxido de hidrogênio

Ácido acético

Desinfecção - Agentes D

s Produto Potencial Oxidação

Reação típica

Ozônio – O3 2,07 O3 + 2H+ + 2e- O2 + H2O

Dióxido Cloro – ClO2

1,91 ClO2 + 5e- + 2H2O Cl- + 4HO-

Cloro – Cl2 1,36 Cl2 + 2e- 2 Cl -

Bromo – Br2 1,09 Br2 + 2e- 2 Br -

Iodo – I2 0,54 I2 + 2e- 2 l -

Adaptado: Libânio, Marcelo – Fundamentos de Qualidade e

Tratamento de Água, Ed. Átomo

Atividade antimicrobiana

Solubilidade

Estabilidade

Inocuidade para o homem

e animais

Ausência de combinações

com material orgânico

estranho

Apresentar toxicidade para

os microrganismos em

temperatura ambiente

Ausência de poderes

corrosivos e tintoriais

Disponibilidade

Desinfecção - Ação

Ruptura da parede celular

(lise)

Difusão do desinfetante

no interior do

microrganismo

Interferência na

reprodução celular

(inibição enzimática)

Desinfecção – Eficácia

Características do

desinfetante

Qualidade da água

Tipos de microrganismos a

serem inativados

Instalação da ETA (tempo

de contato, dosagem e

dispersão)

Desinfecção – Interferentes

Turbidez, não pode ser >

1,0 uT

Presença de MO (cor

verdadeira)

Presença de Fe e Mn

Temperatura e pH

(principalmente para cloro)

Desinfecção – Eficácia

Avaliação do Processo

Monitoramento da

concentração de

microrganismos

patogênicos

Monitoramento da

concentração de

microrganismos indicadores

Parâmetro Valor Mais Provável

Água para consumo humano

Coliformes termotolerantes (Escherichia coli) Ausência em 100 ml

Água na saída do tratamento

Coliformes totais Ausência em 100 ml

Água tratada no sistema de distribuição (Reservatórios e Rede)

Coliformes termotolerantes (Escherichia coli) Ausência em 100 ml

Coliformes totais

40 ou mais amostras por mês:

- Ausência em 100 ml em 95% das amostras

examinadas no mês

de 40 amostras por mês:

- Apenas uma amostra poderá apresentar

mensalmente resultado positivo em 100 ml

Padrão Microbiológico de Potabilidade da Água para Consumo

Humano – Portaria 518/2004 MS

Desinfecção – Padrão

Desinfecção – Micro indicador

Qual processo adotar ? (Reiff, 1993)

Máximo desempenho do sistema;

Atendimento ao padrão de potabilidade vigente e/ou às

condições de segurança sanitária visando minimizar os

riscos de transmissão de doenças;

Minimização da formação de subprodutos com

possíveis efeitos deletérios à saúde humana;

Máxima eficiência do desinfetante, considerando-se a

amplitude de variação possível das características da

água e do tempo de contato, este decorrente das

inevitáveis variações de vazão afluente a ETA

• Cloro (mais largamente utilizado):

• Facilmente disponível como gás, líquido ou sólido

• É barato

• É fácil de aplicar devido à sua alta solubilidade

• Deixa um residual em solução, de concentração facilmente determinável

• É capaz de destruir a maioria dos microrganismos patogênicos

• Desvantagens:

• O cloro é um gás venenoso e corrosivo

• Pode causar problemas de gosto e odor

Desinfecção – Tipos

• Dióxido de Cloro

• Alto poder desinfetante - Agente oxidante e desinfetante

• Aplicação versátil (oxidação de ferro e manganês e controle de odor e

sabor)

• Apresenta relativa estabilidade, permitindo residuais no SDA

• A eficiência do dióxido de cloro não é afetado pelo pH da fase líquida

• Quando produzido de forma adequada, não apresenta formação de

THM’s

• Desvantagens:

• Alto custo, função principalmente da matéria prima

• A produção do dióxido de cloro deve ser “in loco”

• O controle do processo de geração de dióxido de cloro requer grandes

cuidados operacionais

• Ozônio:

• Oxidação da matéria orgânica, produzindo ozonidas e CO2

• Alvejamento e melhoria da cor

• Redução dos teores de ferro e manganês

• Remoção de certas substâncias biodegradáveis

• Não é afetado pela presença de amônia como o cloro

• Agente poderoso, de ação rapidíssima

• Mais eficiente que o cloro na remoção de esporos, cistos de amebas

• Desvantagem:

• Residuais obtidos não são persistentes, desaparecem em pouco tempo

• Ultravioleta

• Envolve a exposição de um filme de água à luz ultravioleta produzida por lâmpadas de vapores de mercúrio com bulbo de quartzo

• As lâmpadas produzem luz ultravioleta com 25-30% de energia dentro da região espectral de 2537 A (dentro de zona de ação bactericida)

• Desvantagens:

• Grande custo de operação e manutenção

• Resume-se a pequenas instalações de uso domiciliar ou comunitário e usos industriais

Aplicações de Cloro no Tratamento de Água

Desinfecção – Cloro

Cloro gasoso

Hipoclorito de sódio

(solução líquida)

Hipoclorito de cálcio

(sólido)

Cloração : É o processo mais importante do tratamento para a qualidade da água, sendo o cloro um poderoso agente oxidante (controle de: odor, sabor, algas, Fe, Mn, biofilmes, etc);

A cloração é eficiente, barata, de fácil aplicação cujo residual de fácil medir;

Amplo espectro de ação germicida;

Forma compostos com ação residual ativa

NaOCl + H2O HOCl- OCl- + H+

Desinfecção - Cloro

1) Cloração simples: É a aplicação do cloro até obter-se um residual desejado. Aplica-se o cloro e após um tempo verifica-se a quantidade existente e faz ajustes se necessário.

2) Pré-cloração: É a aplicação do cloro antes de qualquer tratamento com a finalidade de controlar microrganismos, melhorar a condição de coagulação e redução do número de bactérias em águas muito poluídas.

3) Pós-cloração: Consiste na aplicação do cloro após o tratamento, antes da correção do pH.

4) Recloração : É a aplicação de cloro em um ou mais pontos da rede depois da pós cloração.

Desinfecção - Cloro

Aplicação Dosagem típica pH ótimo Tempo de

Reação

Efetividade

Oxidação de

0,62 mg/mg Fe 7,0 < 1,0 hora Bom

Oxidação de

manganês

0,77 mg/mg Mn 7,5 a 8,5

1 a 3 horas

Minutos

Razoável,

função do

Controle de

biofilmes

1 a 2 mg/l 6,0 a 8,0 Não

Disponível

Controle de

gosto e odor

Variável 6,0 a 8,0 Variável Variável

Remoção de cor Variável 4,0 a 7,0 Minutos Bom

Aplicações de Cloro e Dosagens Típicas

Desinfecção – Cloro

OHNaHOClOHNaOCl 2

OHCaHOClOHOClCa 222)( 2

HOClHOCl

HHOClClOHCl 22

Cloro em meio Aquoso

ação

Cloro gasoso

Hipoclorito de sódio

Hipoclorito de cálcio

Atenção: Depende do pH

• Somatória das

concentrações de

HOCl e OCl- =

cloro residual livre

• Ácido hipocloroso

é um desinfetante

muito mais

eficiente

• P. 518/MS

recomenda pH < 8

OClHHOCl

Concentração mínima de cloro

residual livre após a desinfecção:

0,5 mg/l

Concentração mínima de cloro

residual livre na rede de

distribuição: 0,2 mg/l

Concentração máxima de cloro

residual livre na rede de

distribuição: 2,0 mg/l

Tempo de contato 30 min

Eficiência

Ao realizar a desinfecção com cloro uma das

premissas iniciais consiste em atender à “demanda

de cloro”

O que è “demanda de cloro” ?

Como a capacidade de oxidação do cloro não é

seletiva, isto é, ele oxida não apenas os

microrganismos como também diversas substâncias,

tais como amônia, Fe, Mn, Sulfato e matéria

orgânica, como consequência haverá uma redução

da ação desinfetante para com os microrganismos

Cloração ao “breakpoint”

Como é calculada a “demanda de cloro” ?

Demanda = dosagem aplicada – concentração

residual (saída tanque de contato)

Qual a importância da concentração residual cloro ?

A concentração residual assegura que a demanda de

cloro foi satisfeita no sistema

Como saber a dosagem ideal para atender a

demanda necessária de cloro ?

Usualmente através de modelos matemáticos que

levam em consideração a qualidade da água

tCk nde

• No, N – número de organismos viáveis no inicio e no tempo t

• Co – concentração do desinfetante (mg/L)

• n – coeficiente de diluição, adimensional, relacionado à dispersão do

desinfetante na massa líquida

• t – tempo de exposição (min)

• Kd – constante de inativação dependente do tipo de microrganismo

(min-1)

Demanda

imediata Cloro

Formação das

cloraminas

Após oxidação

cloraminas

O ácido hipocloroso pode combinar com amônia e outros

compostos amoniacais para a formação de cloraminas,

através da amônia presente nas águas, resultante da

decomposição de compostos nitrogenados

Reações com nitrogênio amoniacal (Fase 1):

HOHClNHHOClNH 224

OHNHClHOClClNH 222

OHNClHOClNHCl 232

• cloro combinado

• pH 7,5 reação

ocorre em 1 min

Nitrogênio amoniacal

Cloro aplicado

HOHClNHHOClNH 224

Monocloramina

Cloro aplicado

HOHClNHHOClNH 224

Monocloramina

Cloro aplicado HOHClNHHOClNH 224

Monocloramina

Cloro aplicado HOHClNHHOClNH 224

Monocloramina

Dicloramina

Cloro aplicado

HOHClNHHOClNH 224

Monocloramina

OHNHClHOClClNH 222

As monocloraminas (NH2Cl). Dicloraminas (NHCl2) e

tricloraminas (NCl3), contribuem para a concentração de

“cloro residual combinado” (Fase 2)

Assim o cloro total disponível constitui-se no somatório entre

o cloro livre (HOCl + OCl-) e o combinado

Na desinfecção, satisfeita a demanda de cloro, o

prosseguimento do processo de cloração acarreta a

oxidação das cloraminas já formadas, produzindo

compostos como óxidos de nitrogênio, HCl, N2, entre outros

(Fase 3):

2 NH2Cl + HOCl N2 + 3 H+ + 3 Cl - + H2O

Após a oxidação total das cloraminas, o cloro adicionado

converte-se em cloro livre, processo denominado de

cloração ao “breakpoint”.

OHClHNHOClNH 224 33532

OHClHNOHOClNH 234 464 • cloro livre

Demanda

imediata Cloro

Formação das

cloraminas

Após oxidação

cloraminas

DIAGRAMA DE FORMAÇÃO DE ESPÉCIES CLORAMINADAS EM FUNÇÃO DO pH

Pós-desinfecção (cloraminação): Este tratamento, ao nível do cloro combinado, é útil em pós-desinfecção (ex.: após à ozonização) para manter condições pouco favoráveis ao desenvolvimento de microrganismos e algas.

Durante o tratamento e na rede distribuição (cloro residual livre) – Facilita a remoção de redutores (H2S, Mn2+, Fe2+).

– Impede desenvolvimento de microrganismos e algas nos filtros e nos tanques de sedimentação.

• THM’s : 100 µg/l (80 µg/l – EUA)

• Ácidos haloacéticos: (60 µg/l – EUA)

• Bromato : 25 µg/l (10 µg/l – EUA)

• Clorito : 0,2 mg/l (1,0 mg/l – EUA)

• Cloro livre : 4,0 mg/l (EUA)

• Dióxido de cloro : 0,8 mg ClO2/l (EUA)

Desinfecção - subprodutos

• Normas ABNT relacionadas ao hipoclorito

Objetivo: garantir uma

concentração mínima e máxima

de íon fluoreto em águas de

abastecimento a fim de que seja

possível a manutenção da saúde

dental da população.

Fluoretação

Benefícios

Para cada $ 1,0 gasto em processos de fluoretação, são economizados

potencialmente $ 80,0 em custos odontológicos (AWWA, 1999)

TEMPERATURA MÉDIA

DAS MÁXIMAS DIÁRIAS

LIMITES

RECOMENDADOS DE FLUORETO (mg/l)

INFERIOR ÓTIMO SUPERIOR

10 - 12,1 0,9 1,2 1,7

12,2 - 14,6 0,8 1,1 1,5

14,7 - 17,7 0,8 1,0 1,3

17,8 - 21,4 0,7 0,9 1,2

21,5 - 26,3 0,7 0,8 1,0

26,4 - 32,5 0,6 0,7 0,8

Fluoretação

Concentração de Uso

Fluoreto de Sódio

Fluoreto de Cálcio

(CaF2)

Fluossilicato de sódio

(Na2SiF6)

Ácido Fluossilícico

(H2SiF6)

Fluoretação

Aplicação em Água de Abastecimento

Compostos

Características

Fluossilicato

de Sódio

(Na2SiF6)

Fluoreto de

Sódio (NaF)

Fluoreto de

Cálcio (CaF2)

Ácido

Fluossilícico

H2SiF6

Forma pó pó pó líquido

Peso Molecular (g) 188,05 42,00 78,08 144,08

% Pureza (comercial) 98,5 90-98 85-98 22-30

% Fluoreto (composto

100% puro)

60,7 45,25 48,8 79,02

Densidade (Kg/m3) 881-1153 1041-1442 1618 1,25(Kg/L)

Solubilidade a 25C

(g/100gH2O)

0,762 4,05 0,0016 infinita

pH solução saturada 3,5 7,6 6,7 1,2 (sol. 1%)

Fluoretação

Dimensionamento Sistema

Definição da geometria do tanque de contato

13,0 m

40,0 m

3,25 m 3,25 m

Canal de água coagulada

CASA DE

QUÍMICA

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8

Canal de água filtrada

É um método preventivo da corrosão dos

encanamentos (rede).

Consiste na alcalinização da água para remover o

gás carbônico e formar uma película de carbonato

na superfície das tubulações.

A agressividade da água depende do pH, da

alcalinidade e gás carbônico.

Correção pH

A correção é feita geralmente em dois pontos:

Mistura rápida (calha Parshall): para gerar um

pH ótimo para floculação – 5,0 a 8,0.

Após a cloração: pH ótimo entre 7,0 e 7,2.

através do “índice de Langelier” (IL), podemos

identificar se a água é incrustante ou corrosiva.

Relação do pH da água com o pH de saturação.

Correção pH

Cálculo do índice de Langelier (I.L.)

I.L. = pH – pHs

pHs = pCa + pAlcalinidade + C

pCa = -log[Ca]

pAlcalinidade = -log[Alcalinidade]

C = const. que depende da concentração de sais

dissolvidos presentes na água.

I.L. ≤ 0 Água corrosiva (indesejável)

I.L. > 0 Água incrustante (ideal – fina

camada de protetora de carbonato de cálcio)

Correção pH

Depende principalmente da qualidade da água

a ser tratada (água bruta) e/ou da possibilidade

de alteração de suas características.

Escolha da Tecnologia

• CONAMA 357/2005

• Dispõe sobre a classificação das águas

doces, salinas e salobras do Território

Nacional e estabelece os padrões máximos

de lançamento corpos receptores

Parágrafo único: As águas de melhor

qualidade podem ser aproveitadas em uso

menos exigente, desde que este não

prejudique a qualidade da água.

Classificação das Águas Doces -

CONAMA 357/2005

Classe Especial – Desinfecção

Classe 1 - Tratamento Simplificado

Classe 2 - Tratamento Convencional

Classe 3 - Tratamento Convencional ou

Avançado

Destinação principal:

• abastecimento doméstico sem prévia ou

com simples desinfecção

Limites ou condições:

• para o uso como água de abastecimento

sem prévia desinfecção os coliformes totais

deverão estar ausentes em qualquer

amostra.

Classe Especial

Destinação principal:

• abastecimento doméstico após tratamento

simplificado

Limites ou condições:

• Presença de coliformes fecais não deverá exceder

um limite de 200 NMP/100 mL em 80% ou mais de,

pelo menos, 6 amostras mensais coletadas em

qualquer mês

• OD ≥ 6 mg/L O2

• DBO ≥ 3 mg/L O2

Classe 1

Principais Tecnologias

Qualidade da Água do Manancial

Completo

Coagulação

Floculação

Decantação

Filtração descendente

Desinfecção Fluoretação Correção pH

Floto-Filtração

Coagulação

Floculação

Flotação Filtração

descendente

Filtração direta

Coagulação

Floculação

Dupla filtração

Coagulação

Filtração ascendente

Filtração lenta

Completo

Filtração

Direta

(in-line)

Turbidez

(uT) < 5000 < 50 < 10 < 5

Cor Aparente

(uC) < 3000 < 50 < 20 < 15

Coliform Fecais

(n/100 ml) < 10 5 < 10 3 < 1000 < 100

(UPA/ml) < 10 5 < 5000 < 250 < 100

Fonte: Kawamura (2000)

Fonte: IBGE (2000)

O processo da filtração lenta consiste, basicamente,

na passagem da água através de um meio granular,

constituído por uma camada suporte e areia.

Finalidades

Remoção de impurezas físicas, químicas e

biológicas da água;

Abastecimento de água potável para a

comunidade;

Atendimento da portaria nº 518/2004 MS;

Promoção de melhorias na qualidade de

vida da comunidade .

Filtro Lento - Estrutura

Filtro Lento – Sistema de Drenagem

Filtro Lento – Camada Suporte

Vantagens x Desvantagens

VANTAGENS DESVANTAGENS

Sistema simplificado Utilização limitada pela qualidade da

água bruta afluente ao filtro

Não requer uso de produtos

químicos

A água bruta não deve apresentar

valores para Cor maiores que 5 uC

Facilidade na operação e

manutenção

A água bruta não deve apresentar

valores para Turbidez maiores que

10 UNT

Não necessita acompanhamento

técnico diário

Demanda de grande área para

implantação

Onde Estudar a Aula de Hoje

Nos Livros

• Azevedo Netto, José & Richter, Carlos –

Tratamento de Água – Tecnologia Atualizada – Ed.

Blücher ( Cap. 12 a 18)

• Libânio, Marcelo – Fundamentos de Qualidade e

Tratamento de Água – Ed. Átomo (Cap. 9 a 12)

Contato

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