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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO
Jaqueline Bonatto
Remoção de poluentes de efluentes da indústria de
laticínios para fim de reuso de água através da técnica de
Osmose Inversa
Passo Fundo 2010
1
Jaqueline Bonatto
Remoção de poluentes em efluentes de indústria de
laticínios para fim de reuso de água através da técnica de
Osmose Inversa
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
curso de Engenharia Ambiental, como parte dos
requisitos exigidos para obtenção do título de
Engenheiro Ambiental.
Orientador: Professor Marcelo Hemkemeier, Dr.
Co-Orientador: Professor Vandré Barbosa
Brião, Dr.
Passo Fundo
2010
AGRADECIMENTOS
Agradeço em primeiro lugar a Deus, por ter me dado saúde e disposição para os estudos.
Agradeço a minha família, em especial aos meus pais, João e Maria, pelo apoio constante,
pelo carinho, ensinamentos da vida e pelo amor incondicional. Muito Obrigada, devo isto a
vocês! Aos meus irmãos, Cleder e Gian, por estarem sempre ao meu lado em todos os
momentos.
A meu namorado, Marcos, pelo carinho e compreensão. Pelas incansáveis horas de desabafos,
reclamações e conversa amiga, você, sempre muito atencioso e amoroso. Meu muito
Obrigada, de coração!
A minha amiga/irmã Cris, que me acolheu com todo o carinho por cinco anos. Valeu pelas
risadas, pelos estresses, pelo ombro quando a dor apertava no coração, pelos negrinhos de
panela, juntas sofremos, mas também fomos felizes.
Agradeço aos professores do curso de Engenharia Ambiental, pelos ensinamentos e inspiração
para a profissão.
Agradeço ao professor Paulo Roberto Koetz, pelo conhecimento extraordinário e atenção.
Minha admiração!
Agradeço ao Professor Marcelo Hemkemeier, pela orientação, pela confiança, pelos valiosos
ensinamentos e por me proporcionar e incentivar o crescimento científico, sempre confiando e
acreditando no meu trabalho. Meu Muito Obrigado!
Agradeço ao Professor Vandré, co-orientador, pelos ensinamentos e orientação neste trabalho!
Agradeço as amigas, Ana Claudia e Carol, por sua dedicação em me ajudar no laboratório,
sempre a disposição e entusiasmo apesar das dificuldades!
A todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram para a minha formação. Meu
Muito Obrigada!
2
“Quando a gente acha que tem todas as respostas,
vem a vida e muda todas as perguntas ...”
Luis Fernando Veríssimo
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RESUMO
O efluente gerado pelas indústrias de laticínios apresenta um elevado potencial poluidor, visto
que compõe um liquido rico em gordura, carboidratos, proteínas e alguns sais. O reuso de
efluentes surge, neste contexto, como alternativa para a minimização do lançamento de
efluentes, evitando a sobrecarga nos sistemas de tratamento e servindo como uma ferramenta
na redução de custos. Na indústria de laticínios, os processos de separação com membranas
apresentam um grande potencial para o tratamento de efluentes. Na etapa de experimentação
dos ensaios no módulo de osmose inversa, os ensaios analíticos foram realizados na corrente
do permeado. Os parâmetros para analisados foram: Demanda Química de Oxigênio (DQO),
Nitrogênio Total Kjeldahl (NT), Fósforo Total (PT), Óleos e Graxas (OG), pH, Condutividade
Elétrica, Cor, Turbidez, Sódio (Na), Potássio (K), Dureza Total, Coliformes termotolerantes e
fecais, Manganês, Cálcio e Sólidos Totais. A aplicação da osmose inversa para reuso de
efluentes na indústria de laticínios é eficiente, pois, a remoção de carga orgânica foi acima de
98 %. Com isso, conclui-se que o efluente de segunda passagem pela membrana possui um
potencial de reuso na indústria para os sistemas de torre de resfriamento.
Palavras chave: tratamento de efluentes, osmose inversa, reuso de efluentes.
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ABASTRACT
The effluent generated by the dairy industry has a high pollution potential, since it comprises
a liquid rich in fat, carbohydrates, proteins and certain salts. The reuse of effluent arises in this
context as an alternative to minimize the effluent discharge, avoiding overloading the
treatment system and serving as a tool to reduce costs. In the dairy industry, separation
processes with membranes have great potential for the treatment of effluents. In the stage of
trial tests in the reverse osmosis module, the analytical tests were performed in the permeate
stream. The parameters for analysis were: chemical oxygen demand (COD), Total Kjeldahl
Nitrogen (NT), total phosphorus (PT), Oils and Grease (OG), pH, Electrical Conductivity,
Color, Turbidity, Sodium (Na), Potassium (K), Total Hardness, coliform and fecal coliform,
Manganese, Calcium and Total Solids. The application of reverse osmosis for wastewater
reuse in the dairy industry is efficient, because the removal of organic load was above 98%.
This indicates that the effluent from the second passage through the membrane has a potential
for reuse in industry for system cooling tower.
Keywords: wastewater treatment, reverse osmosis, wastewater reuse.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO............................................................................................................... 6 2 DESENVOLVIMENTO .................................................................................................. 8
2.1 Revisão Bibliográfica ............................................................................................. 8 2.1.1 Água: Panorama Geral ........................................................................................ 8
2.1.2 Indústria de laticínios .......................................................................................... 9 2.1.2.1 Consumo de leite ....................................................................................... 9
2.1.2.2 Industrialização e Geração de Efluentes ................................................... 10 2.1.3 Processos de Separação por Membranas para Tratamento de Efluentes ............. 14
2.1.3.1 Osmose Inversa ....................................................................................... 17 2.1.3.2 Membranas de Filtração ........................................................................... 19
2.1.3.3 Tipos de Membranas de Filtração ............................................................ 19 2.1.3.4 Força motriz ............................................................................................ 21
2.1.3.5 Filtração tangencial .................................................................................. 21 2.1.3.6 O fenômeno do Colmatação (Fouling) e a Polarização de Concentração da
membrana 22 2.1.4 Reuso de água ................................................................................................... 24
2.1.4.1 Utilização da osmose inversa para reuso de efluentes de indústria de
laticínios 25
2.2 Métodos e Materiais ............................................................................................. 27 2.2.1.1 Módulo de osmose inversa ....................................................................... 27
2.2.1.2 Membrana de osmose inversa .................................................................. 27 2.2.1.3 Efluente ................................................................................................... 28
2.2.2 Execução dos ensaios........................................................................................ 28 2.2.3 Análises físico-químicas e microbiológicas ....................................................... 30
2.2.4 Métodos analíticos ............................................................................................ 30 2.2.4.1 Análises do efluente ................................................................................. 30
2.2.4.1.1 Demanda química de oxigênio (DQO).................................................... 30 2.2.4.1.2 Nitrogênio kjeldahl ................................................................................ 30
2.2.4.1.3 Fósforo total ........................................................................................... 30 2.2.4.1.4 Óleos e graxas ........................................................................................ 31
2.2.4.1.5 pH .......................................................................................................... 31 2.2.4.1.6 Condutividade Elétrica ........................................................................... 31
2.2.4.1.7 Turbidez ................................................................................................. 31 2.2.4.1.8 Cor ......................................................................................................... 31
2.2.4.1.9 Sódio...................................................................................................... 32 2.2.4.1.10 Potássio ................................................................................................ 32
2.2.4.1.11 Dureza Total ........................................................................................ 32 2.2.4.1.12 Coliformes termotolerantes .................................................................. 32
2.2.4.1.13 Coliformes totais .................................................................................. 32 2.2.4.1.14 Manganês ............................................................................................. 32
2.2.4.1.15 Proteína ................................................................................................ 33 2.2.4.1.16 Cálcio................................................................................................... 33 2.2.4.1.17 Sólidos Totais ...................................................................................... 33
2.3 Resultados e Discussões ....................................................................................... 34 3 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 41
6
1 INTRODUÇÃO
A água, o líquido mais abundante da superfície terrestre, tem sido tratada com descaso
ao longo das últimas décadas, sendo poluída de forma indiscriminada pelas indústrias e pelo
crescente aumento da população.
O efluente gerado pelas indústrias de laticínios apresenta um elevado potencial
poluidor, visto que compõe um liquido rico em gordura, carboidratos, proteínas e alguns sais.
O reuso de efluentes surge, neste contexto, como alternativa para a minimização do
lançamento de efluentes, evitando a sobrecarga nos sistemas de tratamento e servindo como
uma ferramenta na redução de custos.
O surgimento de normas mais rígidas para o controle de despejos em águas
superficiais e, em alguns países, a cobrança pela água captada de rios, a busca por processos
de tratamento de água, visando sua reutilização dentro da indústria, é um tema de grande
interesse em todo o mundo.
Na indústria de laticínios, os processos de separação com membranas apresentam um
grande potencial para o tratamento de efluentes, visto que seria possível atingir a redução da
carga orgânica. O reuso e o reciclo de efluentes surge como uma alternativa para a
minimização do lançamento de efluentes, evitando a sobrecarga nos sistemas de tratamento e
servindo como uma ferramenta na redução de custos.
As indústrias de laticínios possuem um grande potencial de poluição, cerca de 400
vezes maior que o esgoto doméstico (COSTA, 2010). Se não devidamente tratado, até mesmo
em pequenas quantidades pode rapidamente causar a diminuição do oxigênio de rios e lagos e,
em conseqüência, a morte da fauna aquática. Assim, práticas limpas em processamento de
laticínios podem tornar-se uma ferramenta de gerenciamento, não visando somente o aspecto
ambiental, mas também o aspecto econômico, dado que as perdas de leite na produção
acabam por tornar-se DBO (Demanda Química de Oxigênio) e outros índices de poluição no
efluente a ser tratado.
Um dos maiores desafios encontrados na área ambiental é o desenvolvimento de
processos de separação, purificação e concentração de impureza encontrado no efluente
industrial. Como se pode perceber, os Processos de Separação por Membranas (PSM)
surgiram em adição aos processos clássicos de separação como destilação, filtração, absorção,
troca iônica, centrifugação, extração por solvente, cristalização, entre outros, sendo que a
7
competição com esses processos clássicos surge a partir de uma série de vantagens
apresentadas pelos PSM, mais especificamente, o processo de Osmose Inversa.
Sendo assim, o processo de Osmose Inversa apresenta-se desta forma, como uma
alternativa preventiva e promissora para o tratamento de efluentes de laticínios, possibilitando
a retirada de poluentes na corrente descartada, com a possibilidade de reuso do efluente dentro
do processo produtivo, trazendo benefícios para a empresa e para o meio ambiente.
O concentrado obtido (carga orgânica) pode ser reaproveitado, uma vez que a
legislação vigente permite a adição de sólidos de origem láctea como ingrediente do doce de
leite (BRASIL, 1997).
As principais vantagens da aplicação de processos com membranas é que esse
processo geralmente é atérmico, não envolvem mudança de fase, não necessitam de aditivos
químicos, são simples em conceito e operação, são modulares e apresentam facilidade para
realização de ampliação de escala, necessitam de baixo consumo de energia, apresentam um
uso racional de matérias primas e recuperação de subprodutos.
Segundo Brum (2009), as principais limitações da tecnologia de membranas são a
fragilidade das membranas e a deposição de substâncias na sua superfície (conhecido como
colmatação). O uso de pressões elevadas, as paradas para limpezas e as limitações práticas do
nível máximo de concentração a ser atingido também podem ser citados como desvantagens
do processo.
O objetivo do trabalho foi avaliar a remoção dos poluentes de efluente de indústria de
laticínios através da análise físico-química e microbiológica do permeado obtido através da
técnica de Osmose Inversa com finalidade de reuso da água dentro da indústria de laticínios.
8
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 Revisão Bibliográfica
2.1.1 Água: Panorama Geral
No âmbito internacional, as primeiras preocupações com os limites do crescimento
econômico e populacional do planeta surgiram no final da década de 60, quando tiveram
início os debates sobre os riscos da degradação do meio ambiente. Este contexto, de
discussões tão relevantes e abrangentes, levou a ONU a realizar na cidade de Estocolmo, em
1972, a Conferência Mundial sobre o Meio Ambiente; Neste evento, discutiram temas como
lixo, poluição atmosférica, aquecimento global e qualidade da água. A qualidade da água foi
tema de discussão devido o fato das indústrias estarem despejando seus efluentes diretamente
em curso d’água, contaminando e gerando graves problemas de saúde e até mesmo sociais.
A água é um insumo essencial à maioria das atividades econômicas e a gestão deste
recurso natural é de suma importância na manutenção de sua oferta em termos de quantidade
e qualidade. Atitudes proativas são fundamentais, nesse sentido, pois apesar da aparente
abundância de recursos hídricos no Brasil (14% das águas doces do planeta e 53% do
continente sul americano), sua distribuição natural é irregular nas diferentes regiões do País.
Foi pela carência de instrumentos de gestão que conflitos entre usuários se instalaram em
algumas bacias hidrográficas brasileiras até o final do século XX, situação que está sendo
revertida com a implementação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos
(SINGREH). Trata-se de fato importante, uma vez que o cenário que se apresenta é o de
crescimento urbano-industrial e agrícola que certamente será acompanhado pelo aumento da
demanda de água. Sendo o setor industrial um importante usuário de água, é fundamental que
seu desenvolvimento se dê de forma sustentável, adotando práticas como o uso racional e
eficiente da água. As garantias de quantidade e qualidade de água em nossos mananciais, as
quais permitirão novos investimentos, expansão da produção industrial e geração de emprego
e renda, só poderão ser conseguidas por meio de um amplo esforço do poder público, dos
usuários e da comunidade em torno da gestão participativa, descentralizada, harmônica e
racional das águas no âmbito dos Comitês de Bacias (ANA – Manual de Orientação Água).
As estatísticas de tratamento de efluentes industriais não apontam para um cenário de
problemas generalizados na região, embora sejam registradas diversas situações pontuais
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relacionadas à contaminação da água captada devido ao despejo de esgotos e de efluentes
industriais. As indústrias são responsáveis pela maioria das diferentes substâncias encontradas
nas águas, dentre elas, muitas tóxicas. Das substâncias inorgânicas originadas em indústrias e
liberadas nas águas, são de grande preocupação os metais pesados e seus derivados. Dos
compostos orgânicos, o número total de substâncias liberadas nas atividades industriais sequer
é conhecido, daí a dificuldade de se esclarecer os efeitos desses despejos nos recursos
hídricos. A sub-região Vale do Rio do Peixe registrou a maior incidência de contaminação de
água captada por despejos industriais (16,9% dos distritos dos municípios desta sub-região
registraram este tipo de contaminação. Entre as subregiões do Rio Grande do Sul
praticamente não há este tipo de registro (RBRU, 2008).
2.1.2 Indústria de laticínios
2.1.2.1 Consumo de leite
A indústria de laticínios representa uma atividade de grande importância na economia
mundial, sendo que o Brasil é o sexto maior produtor mundial e cresce a uma taxa anual de 4
%, superior a de todos os países que ocupam os primeiros lugares (EMBRAPA, 2007).
A região Sudeste é responsável por 38 % da produção total com uma produção de 10
bilhões de litros. A importância que a atividade leiteira adquiriu no País é incontestável, tanto
no desempenho econômico como na geração de empregos permanentes (EMBRAPA, 2009).
A produção brasileira no ano de 2007 é apresentada na Tabela 1.
Tabela 1 Produção de leite no Brasil-2007
Região Quantidade (106 litros) Participação no total (%)
Sudeste 10 005 38
Sul 7 495 28
Centro-Oeste 3 775 14
Nordeste 3 460 13
Norte 1 737 7
Fonte: Adaptado de EMBRAPA (2009)
A região sul é a segunda maior produtora de leite do país. O Rio Grande do Sul e o
Paraná apresentam a maior parte da produção. No entanto, além de suprir demandas
10
nutricionais, as agroindústrias devem estar envolvidas em uma nova contribuição, a de
colaboradoras para o desenvolvimento sustentável.
2.1.2.2 Industrialização e Geração de Efluentes
Na unidade de beneficiamento de leite em cada unidade apresenta detalhes e
diferenças entre processos, procedimentos e produtos. Um esquema resumido é apresentado
na Figura 1.
Fonte: Adaptado de BRIÃO (2007)
Figura 1 Diagrama de produção da indústria de laticínios
A Figura 1 mostra o diagrama da produção de laticínios. O leite que chega na
plataforma de recepção, em caminhões-tanque, passa pelo controle de qualidade. Este é então
descarregado via bomba, passando por um resfriamento, sendo armazenado em silo de
armazenamento vertical, isolado termicamente, gerando assim, um efluente com uma
quantidade enorme de sólidos.
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O leite segue do silo para a etapa de pasteurização (eliminação de patógenos) e
padronização (ajuste do teor de gordura), separando a gordura para a produção de creme de
leite pasteurizado e manteiga, e o leite sendo distribuído para os diferentes produtos a serem
elaborados, como leite longa vida (esterilizado), leite pasteurizado, ou leite em pó.
A produção de leite pasteurizado constitui no seu envase em embalagem cartonada,
dado que o mesmo já foi pasteurizado.
Leite esterilizado, ou longa vida, o qual sofre o processo UHT – “Ultra High
Temperature”, consiste em uma homogeneização (quebra dos glóbulos de gordura para
tamanhos menores, o que assegura a estabilidade da gordura), aquecimento indireto à
temperatura de 140ºC por 3 (três) segundos, e um envase asséptico, garantindo a integridade
do produto por quatro meses.
Dentro da produção do leite esterilizado estão os produtos formulados (sabores
chocolate, vitamina, morango,etc.), que constituem na adição de ingredientes, sendo o restante
do processo tal qual como nos esterilizados.
O creme que é separado durante o desnate sofre uma pasteurização e é
temporariamente armazenado em tanques, de onde segue para o envase, obtendo-se o creme
de leite pasteurizado.
O creme destinado à manteiga é pasteurizado, passa à batedeira, onde quebra-se a
emulsão, separando-se a gordura, que constitui a manteiga, envasa-se e acondiciona-se para
então ser expedido para o mercado.
Na produção destes produtos, há a geração de efluentes na etapa de limpeza dos
equipamentos, sendo assim, a produção da água de primeiro enxágüe, o efluente tratado neste
estudo.
Em geral, indústrias de alimentos são grandes consumidoras de água, devido à
necessidade freqüente de higienização e manutenção de limpeza na linha de produção. Isto
gera um grande volume de resíduos líquidos. Em indústrias de laticínios, as principais fontes
de despejos são as seguintes:
a) Lavagem e limpeza de produtos remanescentes nos caminhões-tanques, vasilhames,
tubulações, tanques e demais equipamentos envolvidos na produção;
b) Derrames devido a vazamentos, operações deficientes de equipamentos e
transbordamentos de unidades;
c) Perdas no processo durante as operações de equipamentos como pasteurizador e
extravasamento de produtos, assim como o arraste de produto durante a operação de
evaporação de leite condensado e leite em pó;
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d) Descarte de subprodutos como soro e produtos rejeitados, tais como leite ácido e/ou
fora dos padrões de qualidade de recepção;
e) Soluções utilizadas na limpeza e desinfecção de equipamentos;
f) Arraste de lubrificantes durante as operações de limpeza dos equipamentos;
g) Remoção de material aderente através de limpeza e desinfecção de equipamentos e
tubulações;
h) Quebra e/ou perda de embalagens contendo leite, perdas nas enchedeiras e
lubrificação de transportadores;
i) Águas utilizadas em gaxetas de bombas e para resfriamento de máquinas, tais como
desnatadeiras, homogeneizadores e máquinas de envase;
j) Limpeza de pisos dentro das salas de produção;
k) Descarte de resíduos de produtos elaborados (leite aromatizado) após término da
produção (POESTER e LEITÃO, 1989; PEIRANO, 1995; BRAILE e
CAVALCANTI, 1993).
Existe, então, na indústria de laticínios, a geração de um efluente carregado de matéria
orgânica (resíduos de leite diluído em quantidades variáveis e seus derivados processados), de
uma variedade de fontes, detergentes, desinfetantes, lubrificantes e esgoto doméstico. A
quantidade e a carga poluente das águas residuárias variam bastante, dependendo sobretudo
da água utilizada, do tipo de processo e do controle exercido sobre as várias descargas de
resíduos (BRAILE e CAVALCANTI, 1993).
A Demanda Química de Oxigênio (DQO), utilizada como principal indicativo de
poluição na grande maioria dos casos serve como um cartão de visitas para qualquer estação
de tratamento de efluentes. Devido à sua íntima relação com a DBO (e a matéria orgânica
presente), pode indicar indiretamente a perda de produto (leite) durante o processo, e ainda
servir de principal indicador de eficiência dos processos de tratamento.
A porção de sólidos sedimentáveis é constituída principalmente pela terra procedente
da lavagem externa de caminhões tanques de transporte de leite, que chegam à plataforma de
recepção, e ainda pela limpeza da área de produção de leite em pó, que nem sempre dissolve-
se na corrente de água.
A matéria em suspensão, exceto em queijarias e plantas de leite em pó, não representa
problema, e seus efeitos contaminantes são quase totalmente devido à demanda de oxigênio
que se impõe no corpo receptor. No entanto, a matéria em suspensão gera também problemas
de nitrogênio e fósforo, devido à sua natureza (BRAILE e CAVALCANTI, 1993)
13
Os poluentes inorgânicos, em especial nitrogênio e fósforo, são gerados em grande
quantidade em processadoras de laticínios, já que o leite possui cerca de 3,3% de proteínas e
1000 mg/L de fósforo. Byylund (1995) considera a presença de sais sem importância para o
tratamento, mas a Secretaria do Meio Ambiente do Estado do Rio Grande do Sul (SEMA) já
começa a avaliar até mesmo a dureza como um parâmetro de controle para o lançamento de
efluentes em rios e lagos.
Os nutrientes essenciais para tratamentos biológicos, nitrogênio e fósforo, quando em
excesso, ocasionam extrapolações no efluente gerado, o que pode vir a causar a eutrofização
dos rios.
O leite, em sua composição química, possui ambos os componentes, e é de se esperar
que efluentes de laticínios possuam alta carga de nitrogênio e fósforo, tendo em geral valores
elevados na saída de tratamentos biológicos.
As linhas de processamento de creme de leite e manteiga acrescentam óleos e graxas
em grandes proporções no efluente bruto.
O leite, dentro de suas características, possui um pH próximo do neutro, levemente
ácido (6,70). O esperado seria, portanto, que os rejeitos das indústrias de laticínios possuíssem
um pH próximo do neutro. No entanto, o sistema de limpeza “Cleaning In Place” (CIP), o
qual é realizado com soluções ácidas e alcalinas, despeja estas águas de limpeza na estação de
tratamento, resultando em um pH que pode variar de 2,0 a 12,0 na recepção da ETE
(BYYLUND, 1995).
A técnica CIP consiste em realizar a limpeza em um circuito fechado, partindo de
tanque pulmão de solução, circulando no equipamento/ tanque/tubulação, e retornando ao
tanque pulmão, através do controle de válvulas (BRIAO, 2007).
A Figura 2 exemplifica a distribuição do consumo de água (m3/dia) em uma unidade
de uma indústria de laticínios.
14
Fonte: ANA, 2010.
Figura 2 Distribuição do consumo de água (m³/dia) em uma indústria de laticínios.
A Figura 2 mostra que a industria utiliza para insumo 30 m³/dia, ou seja, apenas 1%
do total consumido, sendo que para limpeza utiliza 8 % e para uso em torre de resfriamento e
caldeiras, 900 m³/dia (36%) e 300 m³/dia (12%), isso mostra que o consumo diário de água é
enorme. As áreas e atividades com maior potencial para a redução do consumo de água são as
que apresentam as maiores demandas por categoria de uso, de maneira que os esforços iniciais
deverão ser direcionados para as mesmas. Segundo IBGE (2002) a produção nacional de leite
é de aproximadamente, 21 bilhões de litros/ano, o que gera cerca de 84 bilhões de litros de
efluentes. Estes são caracterizados como efluentes com elevada concentração de matéria
orgânica na forma de lactose, proteínas e gorduras que, se não for removida adequadamente,
causa sérios problemas de poluição.
2.1.3 Processos de Separação por Membranas para Tratamento de Efluentes
As indústrias de processo produzem uma ampla variedade de substâncias químicas e
componentes que necessitam de separação, concentração e purificação de uma gama de
materiais. Estas espécies incluem reagentes e substâncias químicas usadas na fabricação, os
produtos e intermediários resultantes, os subprodutos indesejáveis e os resíduos. A partir da
década de 60 houve a introdução de uma gama de processos de separação baseada em um
conceito simples: uma membrana para complementar ou substituir técnicas de destilação,
adsorção, extração ou cristalização (SCOTT e HUGHES, 1996).
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Os Processos de Separação por Membranas (PSM) surgiram como uma nova classe de
operações unitárias, classe esta, com potencial para substituir uma razoável parte dos
processos unitários convencionais (BITTER, 1991 apud Brião et al, 2008).
O PSM pode ser definido como sendo a separação parcial de uma mistura com dois ou
mais componentes por meio de uma barreira semipermeável (membrana). A corrente de
alimentação é separada em duas novas correntes conforme a Figura 3. O permeado que é parte
do efluente de alimentação que passou através da membrana e o concentrado que é parte da
alimentação que não passou pela membrana. A corrente de alimentação de um PSM, bem
como as respectivas correntes de permeado e concentrado podem ser encontradas no estado
líquido, como no estado gasoso e inclusive no estado sólido (YOSHIDA, 2005).
Fonte: YOSHIDA, 2005.
Figura 3 Processo genérico de separação por membranas.
O quadro 1 mostra os principais processos de separação de membranas e suas
respectivas aplicações.
Quadro 1 Principais processos de separação por membranas
Processo Força
Motriz
Material Retido Aplicações
Microfiltração
(MF)
ΔP
(0,5 – 2
atm)
Material em suspensão,
bactérias
PM > 500.000 (0,01 µm)
Esterilização bacteriana;
Clarificação de vinhos e
cervejas;
Purificação de antibióticos;
Oxigenação do sangue;
Concentração de células.
Ultrafiltração
(UF)
ΔP
(1- 7 atm)
Colóides,
macromoléculas
PM > 5.000
Fracionamento e concentração
de proteínas;
Recuperação de pigmentos;
Clarificação de suco de fruta;
Recuperação de óleos;
Recuperação de antibióticos da
fermentação.
Nanofiltração
(NF)
ΔP
(5 - 25
atm)
Moléculas de peso
molecular médio
500 < PM < 2.000
Purificação de enzimas;
Biorreatores com membranas.
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Osmose Inversa
(OI)
ΔP
(15-80
atm)
Todo material solúvel e
em suspensão
Dessalinização de águas;
Concentração de suco de frutas;
Desmineralização de águas;
Remoção de álcool de cerveja e
do vinho;
Tratamento de efluentes
(remoção de uma; ampla
variedade de impurezas).
Diálise (D) ΔC Moléculas de PM > 5.000 Hemodiálise;
Recuperação de NaOH;
Separação de NiSO4 do H2SO4.
Eletrodiálise
(ED)
ΔV Macromoléculas e
compostos não iônicos
Concentração de soluções
salinas;
Purificação de águas;
Desmineralização do soro de
queijo;
Produção de água ultrapura para
a indústria de semicondutores.
Permeação de
Gases (PG)
ΔP – ΔV Gás menos permeável da
mistura de alimentação
Separação de CO2 ou H2 do
metano ou outros
hidrocarbonetos;
Fracionamento do ar em N2 e
O2;
Ajuste da razão H2/CO no gás
de síntese;
Recuperação de metano do
biogás;
Recuperação de gás Hélio.
Pervaporação
(PV)
Pressão
de vapor
Líquido menos permeável
da mistura de
alimentação
Desidratação de álcoois;
Remoção da água de solventes
orgânicos;
Remoção de orgânicos da água. Fonte: Yoshida, 2005
A Figura 4 mostra os materiais retidos em cada fase de processo de separação por
membranas.
(a) Microfiltração (b) Ultrafiltração
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( c ) Nanofiltração (d) Osmose Inversa
Fonte: GEA Filtration, 2006.
Figura 4 Processos de separação de membranas. (a) Microfiltração, (b) Ultrafiltração, (c)
Nanofiltração, (d) Osmose Inversa.
A Figura 4 compara os diferentes processos de filtração por membranas e a capacidade
de retenção de compostos orgânicos e inorgânicos. A diminuição da permeabilidade
(porosidade e composição) das membranas aumenta a capacidade de retenção dos sólidos. A
microfiltração tem a capacidade de reter moléculas de maiores tamanhos, como os colóides e
substancias particuladas, a ultrafiltração possui o poder de retenção de além dos sólidos,
substancias como proteínas, já na nanofiltração, a membrana possui uma capacidade maior
que a micro e ultrafiltração, pois retém substancias como açúcares e aminoácidos, no entanto,
a osmose inversa possui uma capacidade de reter substancias de moléculas maiores, como
também substancias de tamanhos menores, como moléculas de sais, tendo o poder de
dessalinização da água.
2.1.3.1 Osmose Inversa
A osmose natural, do grego “osmós”, significando “impulso”, ocorre quando duas
soluções aquosas de concentrações diferentes se encontram separadas por uma membrana
semipermeável. Neste caso, a água da solução menos concentrada passa para o lado da
solução de maior concentração de sais até que se atinja um equilíbrio osmótico
(NASCIMENTO, 2004). O solvente permeia a membrana no sentido do meio mais diluído
(hipotônico) para o meio mais concentrado (hipertônico) até que o equilíbrio termodinâmico
seja atingido (igualdade do potencial químico do solvente em cada fase) (RAMOS, 2008).
Ramos (2008) define Osmose Inversa (OI) como sendo o processo onde o fenômeno
da osmose é invertido pela aplicação de pressão superior à pressão osmótica da solução
concentrada em contato com uma membrana semipermeável.
18
A ilustração na Figura 5 (a), onde uma solução é inicialmente separada de seu solvente
puro por uma membrana semi-permeável. Na Figura 5 (b) o equilíbrio termodinâmico é
obtido e o desnível entre as colunas de líquido caracteriza a pressão osmótica (π) da solução
na temperatura do teste. No caso de duas soluções de concentrações diferentes, o desnível
corresponderá à diferença de pressão osmótica das soluções (RAMOS, 2008).
Fonte: RAMOS, 2008.
Figura 5 O fenômeno osmótico e o processo de Osmose Inversa. a) Condição inicial; b)
Equilíbrio osmótico; c) Condição da Osmose inversa.
A Osmose inversa é provocada quando se aplica na solução de maior concentração
uma pressão maior que sua pressão osmótica. Neste caso, para se restabelecer o equilíbrio, o
solvente é transportado no sentido da solução mais concentrada para a menos concentrada
(Figura 5 (c)). Inverte-se assim o sentido do escoamento do solvente que ocorreria na osmose,
daí a denominação de Osmose Inversa (RAMOS, 2008).
As variáveis de operação importantes para a OI são a vazão de alimentação, a
concentração dos solutos dissolvidos, o tipo de soluto, o grau de concentração, a pressão
através da membrana, a temperatura, o pH e, caso estejam presentes, a concentração dos
sólidos suspensos (HO e SIRKAR, 1992 apud RAMOS, 2008).
Ramos (2008) salienta que a pressão osmótica é uma propriedade coligativa, logo,
depende do número de íons e moléculas presentes na solução. Assim, para uma mesma
concentração mássica, a pressão osmótica de soluções contendo solutos com baixa massa
molar será maior do que as de soluções de macromoléculas. Por isso, se comparadas com os
19
outros PSM que usam gradiente de pressão como força motriz, as pressões de operação na OI
são mais elevadas, da ordem de dezenas de bar.
2.1.3.2 Membranas de Filtração
A membrana é definida como uma interface ou uma barreira semi-seletiva que separa
duas fases (alimentação e permeado) e restringe, total ou parcialmente, o transporte de uma ou
varias espécies químicas presentes nestas fases. Elas podem, ainda, apresentar inúmeras
características, podendo ser naturais e sintéticas, neutras ou carregadas, espessas ou finas, de
estrutura homogênea ou heterogênea, com mecanismo de transporte ativo ou passivo, entre
outras (MULDER, 1996 apud BALDASSO, 2008).
Segundo Strathann (1981), a definição completa de uma membrana que cobre todos os
seus aspectos é difícil. A definição, no entanto, torna-se mais simples quando a discussão
é limitada às estruturas sintéticas e os fenômenos como "transporte ativo". No sentido geral,
uma membrana sintética é uma interfase que separa duas fases e restringe o transporte de
várias espécies químicas de uma forma bastante específica. A membrana pode ser
homogêneo ou heterogêneo, simétricas ou assimétricas em sua estrutura, e pode ser neutra, ou
pode levar positiva ou cargas negativas, ou ambas. Sua espessura pode variar entre menos de
100 nm para mais de um centímetro. A resistência elétrica de uma membrana pode variar de
milhares de ohm a frações de um ohm. Transferência de massa através de um
membrana pode ser causada por difusão de moléculas individuais ou por convecção
fluxo induzido por um campo elétrico, ou uma operação de concentração, pressão ou
gradiente de temperatura.
2.1.3.3 Tipos de Membranas de Filtração
As membranas podem ser classificadas de acordo com diferentes critérios. Um
enfoque inicial pode ser dado quanto à origem, em naturais ou sintéticas. As membranas
naturais ou biológicas estão presentes em todas as células vivas, e são essenciais à vida do
planeta, e diferem completamente da estrutura e funcionalidade das membranas sintéticas
orgânicas e inorgânicas (MULDER, 1991).
20
As membranas sintéticas devem possuir as seguintes características, para que
apresentem aplicações na separação de componentes de uma mistura ou solução (SCOTT,
HUGHES, 1996):
a) Resistência mecânica;
b) Estabilidade térmica;
c) Alta permeabilidade;
d) Alta seletividade;
e) Estabilidade na operação.
A membrana, quanto a sua morfologia, pode ser homogênea ou heterogênea, simétrica
ou assimétrica, pode ser sólida e/ou líquida, pode apresentar cargas de superfície positivas
e/ou negativas e ainda pode ser bipolar. As membranas isotrópicas podem ser:
a) Membranas porosas: Os microporos da membrana são parecidos a um filtro
convencional. Tem uma estrutura distribuída rígida casualmente nula com poros
interconectados. Os poros diferem de um filtro convencional por ser extremamente
pequeno, na ordem de 0,01 μm a 10 μm de diâmetro. As partículas com diâmetro
maior que os poros da membrana são rejeitados;
b) Membranas densas: Consistem de um filme denso. O permeado é transportado
mediante uma força motriz originada de uma pressão, concentração e gradiente de
potencial elétrico. A separação de componentes de uma mistura está diretamente
relacionada à taxa de transporte relativa deles/delas dentro da membrana, que é
determinado pela difusão e solubilidade dos mesmos no material da membrana;
c) Membranas eletricamente carregadas: Podem ser densas ou porosas, é comum
apresentarem microporos finos. As paredes dos poros apresentam íons carregados com
cargas positivas e/ou negativas. Uma membrana carregada com íons positivos é
chamada de membrana de troca aniônica porque se liga aos ânions presente no fluído.
Uma membrana carregada com íons negativos é chamada de membrana de troca
catiônica porque se liga aos cátions presente no fluido (BAKER, 2000).
As membranas poliméricas assimétricas podem ser sintetizadas por diferentes técnicas
como sinterização, estiramento, bombardeamento com partículas, recobrimento e invasão de
fases, sendo esta última a técnica mais utilizada em escala industrial (STRATHMANN,
1981).
As membranas anisotrópicas é aquela no qual a taxa de transporte de uma espécie na
mesma é inversamente proporcional as densidades da membrana. Taxas de transporte altas em
21
processos de separação por membranas são desejáveis por razões econômicas. Recentemente,
há interesse por membranas formadas por materiais menos convencionais (BAKER, 2000).
As membranas poliméricas podem ser fabricadas teoricamente com qualquer
polímero, pois todos oferecem barreiras seletivas à permeação. Entretanto, as propriedades
físicas e químicas de cada polímero são tão diferenciadas que somente um número limitado
pode ser utilizado na prática. As membranas de policarbonato, fluoreto de polivinilideno,
politetrafluoretileno, polipropileno, poliamida, ésteres de celulose, polissulfona,
poliacrilonitrila, ésteres de celulose e poliamida são os mais utilizados (MULDER, 1991).
2.1.3.4 Força motriz
Para que ocorra o transporte de massa através de uma membrana, é necessário que se
estabeleça uma força motriz, que é normalmente expressa em termos de gradiente de
potencial químico e/ou gradiente de potencial elétrico. Como se sabe, o gradiente de potencial
químico é uma função que depende de temperatura, pressão e concentração das espécies em
questão. Como a maioria dos PSM em termos de condições isotérmicas, pode-se expressar o
gradiente de potencial químico (µ) em termos de gradiente de pressão, concentração ou
pressão parcial (YOSHIDA, 2005).
De um modo geral, os processos de separação com membranas são vistos como sendo
o resultado de diferenças na taxa de espécies químicas em contato interno nos poros da
membrana. A taxa de transporte é determinada pela força motriz ou forças que agem nos
componentes individuais e a mobilidade deles/delas e a concentração dentro e/ou na interface
da membrana. A mobilidade é determinada principalmente pelo tamanho molecular do soluto
e a estrutura física do material na interfase, enquanto a concentração do soluto nesta interfase
é determinada por compatibilidade química do soluto com a interfase do material, o tamanho
do soluto e a estrutura da membrana. A mobilidade e concentração do soluto dentro desta fase
determinam o fluxo produzido por uma determinada força motriz (PORTER, 1988).
2.1.3.5 Filtração tangencial
A alimentação perpendicular à área da membrana, conforme os métodos
convencionais de filtração e sistemas que utilizam a filtração em profundidade possui três
22
fatores limitantes à capacidade do sistema: (a) a resistência inerente do meio filtrante; (b) a
obstrução deste meio pelos compostos retidos; (c) a formação de uma torta, que muitas vezes
possui a resistência ao movimento algumas magnitudes acima da resistência do meio filtrante.
À medida que a espessura da torta aumenta, eleva-se a resistência ao fluxo de permeado, o
qual é reduzido ao longo do tempo. Quando a resistência total ao escoamento do permeado
torna-se muito alta, são realizadas paradas no sistema para a remoção da torta, ou, em muitos
casos, para a troca do sistema filtrante (HORST e HANEJAAIMER, 1990 apud BRIÂO,
2007).
Na filtração tangencial, a alimentação é realizada paralela à superfície da membrana, e
somente parte dos solutos se acumulam devido aos fenômenos de Colmatação e polarização
de concentração, sendo a outra parcela conduzida para fora do módulo pela corrente de
concentrado ou rejeito, evitando a formação da torta de filtração (MULDER, 1991).
A Figura 6 ilustra filtração tangencial e o comportamento do fluxo.
Fonte: Adaptado de YOSHIDA, 2005.
Figura 6 Filtração tangencial e comportamento do fluxo.
2.1.3.6 O fenômeno do Colmatação (Fouling) e a Polarização de Concentração da
membrana
Nos processos de separação por membranas, freqüentemente é observado à diminuição
do fluxo permeado com o passar do tempo. Esse fenômeno também costuma acompanhar o
23
decréscimo da retenção do soluto e é atribuído aos fenômenos de polarização de concentração
e colmatação (YOSHIDA, 2005).
Yoshida (2005) enfatiza que a polarização de concentração ocorre devido ao aumento
da concentração do soluto na interface membrana/solução. Rapidamente é estabelecido uma
retrodifusão deste soluto, estabelecendo-se um perfil de concentração na região próxima a esta
interface. Na filtração tangencial, a polarização de concentração é função direta das condições
hidrodinâmicas do escoamento da solução de alimentação. Normalmente, para uma
determinada pressão, a polarização de concentração é menor quando se utiliza velocidades de
escoamento maiores. Caso não ocorram problemas de entupimento dos poros da membrana,
ou mesmo adsorção de soluto na mesma, o fenômeno de polarização de concentração pode ser
tratado como reversível, sendo que uma das opções consiste em verter solvente puro através
da membrana para que esta volte a apresentar o fluxo de permeado original.
Nascimento (2004) mostra que, além da importância da polarização de concentração
na redução do fluxo de permeado ocorre, também, um fenômeno chamado colmatação que,
pode ser entendido como o conjunto de fenômenos capaz de provocar uma queda no fluxo do
permeado. No caso de sistemas com pressão de operação constante estes fenômenos ocorrem
devido a inclusão de todos os mecanimos de colmatação, oi seja, deposição de substancias
inorgânicas e orgânicas na superfície da membrana e/ou bloqueio de canais de alimentação. E
em sistemas com vazão de permeado constante ocorrem devido ao aumento de pressão de
operação. Na pratica, este deposito representa uma segunda membrana sobre o polímero
desta, o que reduz a sua permeabilidade e modifica as suas propriedades de rejeição de sais. A
extensão da colmatação depende da natureza da solução, mas depende, também, e de modo
acentuado, das condições de operação do sistema em questão.
Fonte: Adaptado de NASCIMENTO, 2004.
24
Figura 7 Queda de fluxo permeado ocasionado com o tempo pelo fenômeno de
polarização de concentração e Colmatação (Fouling).
Quadro 2 Principais efeitos de colmatação sobre sistemas de membrana.
Efeito Observado Comentário
Redução do Fluxo Redução gradual devido ao crescimento do biofilme na membrana.
Diminuição da rejeição de solutos Aumento do grau de concentração-polarização devido à redução da
turbulência na superfície da membrana e/ou pela biodeterioração do
polímero da membrana.
Aumento da quantidade de sais
precipitados
Aumento do grau de concentração-polarização
Sítios de nucleação no interior do biofilme.
Maior diferencial de pressão ao longo
do canal de alimentação
Redução da espessura do canal de alimentação e/ou bloqueio de partes do
canal pelo biofilme. Possibilidade de destruição total de módulos espirais
devido ao deslocamento horizontal de pacotes de membrana causado pelo
diferencial de pressão no interior dos pacotes.
Contaminação do permeado Crescimento de biofilmes microbianos nos canais do permeado.
Biodeterioração da membrana Biodegração do polímero da membrana ou pela ação de metabólicos
microbianos sobre os polímeros da membrana. Destruição irreversível da
membrana.
Biodeterioração de componentes do
modulo
Degradação das linhas de vedação do canal do permeado.
Degradação química da membrana Biocidas oxidantes ou extremos de pH utilizados na remoção do biofilme
podem atacar os polímeros da membrana.
Redução do tempo de uso da
membrana
Causado pelo conjunto dos fatores acima citados.
Fonte: Adaptado de SHENEIDER & TSUTIYA, 2001.
2.1.4 Reuso de água
A reciclagem ou reuso de água não é um conceito novo na história do nosso planeta. A
natureza, por meio do ciclo hidrológico, vem reciclando e reutilizando a água há milhões de
anos, e com muita eficiência.
A revolução industrial tornou-se uma revolução da poluição, o aumento no consumo
de água levou ao crescimento associado da poluição das águas, rios, mananciais e do lençol
freático. A preocupação com isso levou as agencias de proteção ambiental a elaborarem novas
25
estratégias e tecnologias de controle de poluição, de modo a minimizar as descargas de
efluente no ambiente.
As estratégias para redução de matérias primas, de água e de energia e aumento de
produtividade se tornou uma questão indissociável. Em muitas indústrias, o consumo de água
é muito grande, assim a reciclagem e o reuso podem ser uma oportunidade para combinar
redução de custos, melhoria de gerenciamento e uso racional de recursos naturais.
O reuso e a conservação da água deve ser estimulada nas indústrias, a partir da
utilização de processos industriais e de sistemas com baixo consumo, e que possibilitem a
recuperação e o reuso (PACHECO, 2001 apud TOCCHETTO, 2007).
O consumo de água na indústria de alimentos envolve muitos métodos e processos de
operações unitárias, como por exemplo, lavagem, branqueamento, refrigeração, pasteurização,
produção de vapor, limpeza geral, desinfecção e sanitização. O reuso da água tem apresentado
viabilidade técnica devido a grandes melhorias em processos de purificação. Um estudo
realizado na Holanda concluiu que o potencial de reciclagem da água na indústria de
alimentos pode ser de 20 % a 50 % (CASANI, ROUHANY, KNOCHEL, 2004 apud
GREGORI, 2009).
Mattio (1999) descreve os métodos de classificação da água, segundo a sua finalidade:
(a) Reuso: Água utilizada mais de uma vez dentro da planta industrial; (b) Reciclagem: A
água é recuperada e reutilizada no mesmo processo; (c) Reaproveitamento: A água é
recuperada e reutilizada em processo diferente da origem, normalmente em quantidades
menores e qualidade inferior.
A utilização de água pela indústria pode ocorrer de diversas formas, tais como:
incorporação ao produto, lavagens de máquinas, tubulações e pisos, sistemas de resfriamento
e geradores de vapor, águas utilizadas diretamente nas etapas do processo industrial ou
incorporadas aos produtos e esgotos sanitários dos funcionários.
2.1.4.1 Utilização da osmose inversa para reuso de efluentes de indústria de laticínios
Na indústria de laticínios, os processos de separação com membranas apresentam um
grande potencial para o tratamento de efluentes, visto que seria possível atingir a redução da
carga orgânica como uma parte integrada da linha de produção. O reuso e o reciclo de
efluentes surge como uma alternativa para a minimização do lançamento de efluentes,
26
evitando a sobrecarga nos sistemas de tratamento e servindo como uma ferramenta na redução
de custos.
A possibilidade de tratar o efluente gerado como uma parte integrante do processo de
produção desperta o interesse do setor. Segundo o trabalho de Ballanec et al. (2002) verifica-
se que há resíduos de carga orgânica no mesmo, mas os autores não estudaram a possibilidade
de se realizar mais uma passagem deste pelas membranas de OI ou NF para reduzir estes
teores. Obter um permeado que alcance os padrões de potabilidade citados na Portaria 518/04
do Ministério da Saúde (BRASIL, 2004) pode abrir uma nova etapa para o reuso de águas
industriais. Além disso, mesmo que o permeado não possua qualidade suficiente para reuso,
seu tratamento biológico exigirá menores reatores, pois a carga aplicada será reduzida,
obtendo um efluente final com qualidade melhorada.
A possível utilização da corrente concentrada dos processos de OI para a aplicação em
doce de leite, ou ainda para se produzir leite condensado, e por outro lado, obter água potável,
demonstra que a indústria de laticínios apresenta um grande potencial para a aplicação dos
processos de separação por membranas, reduzindo custos e minimizando efeitos poluidores.
27
2.2 Métodos e Materiais
2.2.1.1 Módulo de osmose inversa
O sistema de osmose inversa utilizado no experimento, Figura 8, é composto por um
tanque de alimentação, bomba de alta pressão, tubo trocador de calor, membrana do módulo,
controles necessários para regulagem da pressão, vazão e temperatura, by-pass para
afinamento das pressões.
Fonte: Adaptado de GREGORI, 2009.
Figura 8 Modulo de osmose inversa (escala piloto)
2.2.1.2 Membrana de osmose inversa
A membrana utilizada no estudo foi uma membrana espiral de osmose inversa de alta
rejeição de poliamida (PA) da marca KOCH Membrane Systems. A membrana espiral de alta
rejeição de poliamida (PA) é projetada para concentração de soro de leite, leite desnatado e/ou
Tanque de
Alimentação
Bomba
Trocadores de
calor
Membrana
28
integral, lactose de permeado de ultrafiltração e suco de frutas. A área é de 7,1m2 e o fluxo de
permeado pode atingir 300 L.h-1
. A pressão máxima de operação foi de 2000 kPa.
2.2.1.3 Efluente
A água de primeiro enxágüe foi um efluente simulado, diluindo-se cerca de 2 g de leite
em pó integral em 1 L de água, de modo a se obter uma carga orgânica semelhante a
concentração do efluente industrial (BRIÃO, 2007).
2.2.2 Execução dos ensaios
Os experimentos seguiram da seguinte maneira: o efluente simulado foi filtrado no
módulo piloto de osmose inversa, separando a corrente de concentrado do permeado, com
pressão transmembrana de 2000 kPa e fluxo de concentrado de 3000 L/h. O permeado foi
caracterizado quanto às análises físico-químicas descritas nos métodos analíticos. O permeado
foi coletado e reservado em um tanque. Este permeado foi submetido a uma nova passagem
na membrana de osmose inversa com o objetivo de remover residuais de matéria orgânica e
sais dissolvidos com intuito de tornar a água com qualidade para reuso no processo industrial.
A execução do trabalho foi conforme o esquema apresentado na Figura 9.
Gregori (2009) mostra em seus estudos que pressões baixas não possuem eficiência
para remoção de poluente, portanto, neste estudo realizaremos o experimento com pressão
alta (2000 kPa).
29
Figura 9 Diagrama das etapas experimentais do trabalho
Os testes de filtração no sistema piloto de osmose inversa foram realizados sob
condições controladas para a separação de sólidos de leite da água de pré-enxágüe de
equipamentos da indústria de laticínios. Com isso, obtém-se o permeado e concentrado,
efetuando a caracterização físico-química do mesmo.
A utilização de um efluente sintético é justificada pela necessidade de alimentar o
processo em condições homogêneas de modo que as variáveis de resposta não sofram outras
influências senão o efeito das variáveis independentes. Este efluente simulado foi alimentado
ao módulo piloto de OI (Osmose Inversa). Realizou-se a caracterização da corrente do
permeado e concentrado.
O efluente sintético foi alimentado em um tanque, impulsionado por uma bomba
positiva através da carcaça da membrana de poliamida (PA), separando fluxo em duas
correntes: o permeado e o concentrado. A medida do fluxo do permeado, foi feita por um
rotâmetro. A corrente de concentrado (rejeito) foi recirculado para o tanque de alimentação,
de onde foi novamente impulsionado através da membrana. O controle da temperatura durante
este procedimento realizou-se com o auxílio de um banho termostatizado, e por meio de um
termopar foi feito o registro da temperatura ao longo do tempo.
30
2.2.3 Análises físico-químicas e microbiológicas
Na etapa de experimentação dos ensaios no módulo de osmose inversa, os ensaios
analíticos foram realizados na corrente do permeado, com parâmetros que definem sua
qualidade em relação ao seu potencial para reuso na indústria de laticínios. Os parâmetros
para análise foram: Demanda Química de Oxigênio (DQO), Nitrogênio Total Kjeldahl (NT),
Fósforo Total (PT), Óleos e Graxas (OG), pH, Condutividade Elétrica, Cor, Turbidez, Sódio
(Na), Potássio (K), Dureza Total, Coliformes termotolerantes e fecais, Manganês, Cálcio e
Sólidos Totais.
2.2.4 Métodos analíticos
2.2.4.1 Análises do efluente
2.2.4.1.1 Demanda química de oxigênio (DQO)
A DQO foi quantificada pelo método micrométrico segundo American Public Helth
Association (APHA, 1995), por meio da digestão em refluxo fechado e quantificação
fotométrica a 420 nm.
2.2.4.1.2 Nitrogênio kjeldahl
O conteúdo de nitrogênio foi quantificado por meio da digestão ácida da amostra e
posterior destilação e titulação, de acordo com APHA (1995).
2.2.4.1.3 Fósforo total
Para determinação do fósforo total a amostra foi digerida pelo método do persulfato de
amônio [(NH4)2S2O8], para a conversão do fósforo para a forma de fosfato. A concentração de
fosfato foi determinada pelo método do Reagente de Armstrong e do ácido ascórbico
(C2H4O2), descrito pela APHA (1995).
31
2.2.4.1.4 Óleos e graxas
A concentração de óleos e graxas foi determinada pela acidificação da amostra,
extraindo-se as gorduras pela adição de éter de petróleo e etanol e determinação gravimétrica,
segundo os procedimentos da APHA (1995).
2.2.4.1.5 pH
A concentração hidrogeniônica foi determinada pelo método eletrométrico, usando o
potenciômetro (pH METER TEC-2) de marca TECNA. A metodologia de análise é baseada
nos procedimentos da APHA (1995).
2.2.4.1.6 Condutividade Elétrica
A condutividade elétrica é uma medida indireta da concentração de íons na solução. A
condutividade elétrica foi determinada pelo método da resistência elétrica e da constante da
cela de condutividade. O equipamento utilizado é o Condutivímetro TEC-4MP de marca
TECNAL.
2.2.4.1.7 Turbidez
A turbidez das amostras do efluente de estudo foi quantificada pelo método
colorimétrico e o equipamento utilizado é um espectrofotômetro de marca MERCK modelo
SQ 118.
2.2.4.1.8 Cor
A determinação da cor do efluente foi quantificada pelo método colorimétrico. O
equipamento utilizado foi um espectrofotômetro de marca MERCK modelo SQ 118.
32
2.2.4.1.9 Sódio
A determinação de sódio do efluente foi quantificado pelo método de
espectrofotometria de chama. O equipamento utilizado é um fotômetro de chama da
MICRONAL, modelo B462.
2.2.4.1.10 Potássio
A determinação de potássio do efluente foi quantificado pelo método de
espectrofotometria de chama. O equipamento utilizado é um fotômetro de chama da
MICRONAL, modelo B462.
2.2.4.1.11 Dureza Total
A determinação da dureza total foi determinada pelo método titulométrico do ácido
etilenodiamino tetra-acético (EDTA).
2.2.4.1.12 Coliformes termotolerantes
Os coliformes termotolerantes foram determinados através do Método dos tubos
múltiplos (FUNASA,2009).
2.2.4.1.13 Coliformes totais
Os coliformes totais foram determinados através do Método dos tubos múltiplos
(FUNASA,2009).
2.2.4.1.14 Manganês
33
O manganês foi determinado através do Método por Espectrofotometria de Absorção
Atômica com Chama de Ar Acetileno (IQSC, 2010).
2.2.4.1.15 Proteína
Proteína foi determinada pela concentração de nitrogênio Kjeldahl da amostra,
multiplicando-se pelo fator de 6,38.
2.2.4.1.16 Cálcio
A concentração de cálcio foi determinada por titulação com EDTA, utilizando
murexide como indicador, segundo APHA (1995).
2.2.4.1.17 Sólidos Totais
Os sólidos totais foram determinados por gravimetria, secando-se a amostra em estufa
a 105ºC, até peso constante (APHA, 1995).
34
2.3 Resultados e Discussões
A determinação da concentração dos parâmetros físico-químicos e microbiológicos na
corrente do permeado, com FC (Fator de Concentração) que variou de 1 a 128 e pressão
transmembrana de 2000 kPa, foi realizada com o objetivo de verificar a rejeição da membrana
a estes compostos. A Tabela 2 e 3 mostram a eficiência de remoção dos poluentes no
experimento I (primeira filtração) e experimento II (segunda filtração).
Tabela 2 Percentual de remoção das análises físico-químicas e microbiológicas na primeira
passagem do efluente sintético pela membrana.
Parâmetros Alimentação* Permeado
de Primeira
Passagem
Rejeição %
DQO mg/L 6944,8 95,5 98,6
Nitrogênio mg/L 182,6 10,5 94,2
Proteína mg/L 669,2 66,9 90,0
Fósforo mg/L 71,6 0,235 99,7
Lactose mg/L 0,14 0,003 97,9
pH 6,7 6,35 -
Cor µH 7 900,0 N.D. 100,00
Turbidez NTU 7100,0 N.D. 100,00
Condutividade
elétrica µS/cm
193,8,0 29,3 84,9
Dureza Total mg/L 1500,0 N.D. 100,00
Sólidos Totais mg/L 238,7 80 66,5
Óleos e Graxas
mg/L
572 1,42 99,7
Cálcio mg/L - N.D. -
Magnésio mg/L - N.D. -
Potássio mg/L - 7,2 -
Sódio mg/L - 3,3 -
Manganês mg/L - N.D. -
Coliformes totais
UFC
- Ausência -
Escherichia coli
UFC
- Ausência -
*Os valores da Alimentação foram determinados por SALLA & ZANON, 2010.
35
Tabela 3 Percentual de remoção das análises físico-químicas e microbiológicas na segunda
passagem do efluente sintético pela membrana.
Parâmetros Alimentação* Permeado de
Segunda
Passagem
Rejeição %
DQO mg/L 6944,8 84 98,8
Nitrogênio mg/L 182,6 5,83 96,8
Proteína mg/L 669,2 37,21 94,4
Fósforo mg/L 71,6 0,131 99,8
Lactose mg/L 0,14 N.D 100,0
pH 6,7 6,15 -
Cor µH 7 900,0 N.D. 100,0
Turbidez NTU 7100,0 N.D. 100,0
Condutividade
elétrica µS/cm
193,8,0 10,09 94,8
Dureza Total mg/L 1500,0 N.D. 100,0
Sólidos Totais mg/L 238,7 54 77,4
Óleos e Graxas
mg/L
572 0,2 99,9
Cálcio mg/L - N.D. -
Magnésio mg/L - N.D. -
Potássio mg/L - 0,7 -
Sódio mg/L - 1 -
Manganês mg/L - N.D. -
Coliformes totais
UFC
- Ausência -
Escherichia coli
UFC
- Ausência -
*Os valores da Alimentação foram determinados por SALLA & ZANON, 2010.
A DQO do efluente da primeira filtração foi de 95,5 mg/L, enquanto que na segunda
filtração a DQO diminui para 84 mg/L. A eficiência de remoção de DQO da segunda
passagem pela membrana foi consideravelmente baixa em relação a primeira.
A determinação de nitrogênio e fósforo foi realizada na corrente do permeado e do
pós-tratamento (segunda filtração), obtendo uma considerável redução nos parâmetros de
qualidade, a eficiência foi de, respectivamente, 94,2% e 89,9% para a primeira filtração, e
para o pós-tratamento foi de, respectivamente, 96,8% e 94,4%. A eficiência de remoção da
segunda passagem pela membrana teve uma eficiência alta em comparação com a primeira
filtração.
36
A condutividade elétrica do permeado mudou de 29,3 µS/cm para 10,9 µS/cm da
primeira para a segunda filtração, isto indica que a quantidade de sais dissolvidos na água teve
uma diminuição de 62,7 % de remoção após ter passado pela segunda passagem no modulo de
Osmose Inversa.
A corrente de permeado apresentou eficiência de 100 % para cor, turbidez e dureza,
para os dois experimentos.
O parâmetro cálcio e magnésio promovem dureza permanente na água e pode ser um
indicador de poluição das fases de decomposição da matéria orgânica, no ciclo do enxofre, no
entanto, verifica-se que estes parâmetros mostraram-se não detectável nos dois experimentos.
A determinação da concentração de sódio na corrente do permeado e pós-tratamento,
variou de 3,3 mg/L a 1 mg/L, respectivamente.
A concentração de potássio no permeado foi de 7,2 mg/L para a primeira filtração e
0,7 mg/L para o pós-tratamento.
A análise microbiológica mostrou que o permeado recolhido não havia contaminação
de coliformes totais e fecais.
A rejeição da membrana a estes compostos químicos era esperada, pois, a membrana
de poliamida foi projetada para concentração de proteínas do soro de leite, leite integral e
desnatado e para tratamento de águas para reuso. Em resumo, macromoléculas de elevado
peso molecular apresentaram maiores rejeições pela membrana, enquanto que solutos iônicos
(Na, K, Ca) demonstraram maior passagem através da membrana pelo fenômeno de difusão.
Gregori (2009) em seu estudo sobre Osmose Inversa para reuso de efluentes da
industria de laticínios, avaliou a possibilidade de tratamento de águas de primeiro enxágüe da
indústria de laticínios por processo de separação por membrana de osmose inversa, com a
finalidade de tornar a água com qualidade potável. Os experimentos demonstraram que
utilizando pressão transmembrana mínima 900 kPa obtiveram resultados semelhantes de
remoção de carga orgânica após a segunda passagem pela membrana, com concentração de
DQO 65,75 mg/L, e resultados eficientes para remoção e concentração de sólidos presentes na
água de primeiro enxágüe da industria de laticínios. Verifica-se que a membrana utilizada não
torna eficiente o processo para remoção de carga orgânica para finalidade para uso em água
potável, porem esta água pode ser utilizada para água de pisos e caminhões.
Os parâmetros físico-químicos e microbiológicos do trabalho foram comparados com
os padrões da Portaria 518 do Ministério da Saúde/2004, pois a legislação brasileira não tem
uma norma específica para reuso de efluentes industriais. A Tabela 4 apresenta os parâmetros
37
das análises físico-químicas e microbiológicas dos experimentos de osmose inversa em
comparação com a Portaria que indica a potabilidade da água.
Tabela 4 Comparação com a Portaria 518 do Ministério da Saúde/2004.
Parâmetros Permeado
de primeira
passagem
Permeado de
segunda
passagem
Portaria 518
BRASIL(2004)
DQO mg/L 95,5 84 N.R.
Nitrogênio mg/L 10,5 5,8 10
Proteína mg/L 66,9 37,2 N.R.
Fósforo mg/L 0,235 0,131 N.R.
Lactose mg/L 0,003 N.D N.R.
pH 6,35 6,15 6,0 - 9,5
Cor µH 0 0 15
Turbidez NTU 0 0 5
Condutividade
elétrica µS/cm
29,3 10,09 N.R.
Dureza mg/L N.D. N.D. 500
Sólidos Totais mg/L 80 54 1000
Óleos e Graxas
mg/L
1,42 0,2 N.R.
Cálcio mg/L N.D. N.D. N.R.
Magnésio mg/L N.D. N.D. N.R.
Potássio mg/L 7,2 0,7 N.R.
Sódio mg/L 3,3 1 200
Manganês mg/L N.D. N.D. 0,1
Coliformes totais
UFC
Ausência Ausência Ausência
Escherichia coli
UFC
Ausência Ausência Ausência
Os parâmetros cor, pH, turbidez, dureza total, coliformes totais, escherichia coli,
sódio, manganês, nitrogênio e sólidos totais do permeado da segunda filtração atingiram os
padrões estabelecidos pela Portaria 518 do Ministério da Saúde/2004. Os parâmetros de DQO,
fósforo, proteína, condutividade elétrica, óleos e graxas, cálcio, magnésio e potássio não são
referenciados por esta portaria. A Portaria 518 (BRASIL, 2004) não faz referências quanto
aos parâmetros DBO, DQO, mas o excesso de DQO no experimento pode acarretar risco para
água com finalidade para consumo humano.
Chmiel, Mavrov, Bélières, (2000) em seu trabalho sobre reuso de água apartir do
vapor condensado de leite utilizando membranas de nanofiltração, mencionam que o padrão
de água na Alemanha para reuso deve ser de 10 mg.L-1
de DQO. A água obtida no
38
experimento não atinge os padrões referenciados pelos autores, mas pode ser reutilizada para
caldeira, lavagem de caminhões e pisos.
Embora a DQO apresente residuais que inviabilizam a utilização da água com
finalidade potável, o permeado pode ser descartado em mananciais hídricos, pois, tem
excelente padrão de qualidade para descarte. O processo osmose inversa utilizando a
membrana de poliamida, quando comparado com os processos biológicos apresenta vantagens
relevantes: baixo consumo de energia, requer pequeno espaço físico, redução no uso de
produtos químicos, redução dos volumes de efluente e alta eficiência de remoção. Os
processos biológicos convencionais requerem grandes áreas construídas para instalação de
uma ETE, maior consumo de energia, geração de lodo biológico, a eficiência de remoção dos
parâmetros físico-químicos é em menor escala.
O efluente do experimento II mostra que estes parâmetros demonstram um potencial
de uso desta água em torres de resfriamento, como pode ser observado na Tabela 5.
Tabela 5 Parâmetros de qualidade da água para Torre de Resfriamento.
PARÂMETROS Qualidade da água para
Torre de Resfriamento *
Permeado de segunda
passagem
pH 6,9 – 9,0 6,15
Turbidez NTU 50 N.D.
Alcalinidade mg/L 350,0 -
Dureza total mg/L 650,0 N.D.
Sólidos Totais 200 54
Condutividade elétrica
µS/cm
- 10,09
Cloretos mg/L 500,0 -
Sulfatos 200,0 -
DQO mg/L 75,0 84
Magnésio mg/L 0,5 N.D.
Cálcio mg/L 50 N.D.
* Qualidade de água de para funcionamento do sistema de resfriamento do tipo semi-aberto, com recirculação de
água e indicados pela Water Pollution Control Federation - EPA (1992).
O parâmetro Dureza Total não foi detectável nesta água, isto favorece o uso em torre
de resfriamento, devido em superfícies de troca de calor, sais de magnésio e cálcio causarem
incrustações nas superfícies, dificultando a operação.
39
O parâmetro de DQO se encontra um pouco acima do recomendado pela legislação,
porém, não significa que esta quantidade acima afetaria a qualidade da água para uso em
sistema de resfriamento.
O pH está abaixo do recomendado, porém, este parâmetro pode ser facilmente
corrigido, com a utilização de produto alcalino, como o cal, no efluente tratado.
O poluente manganês em superfícies de troca de calor apresentam os mesmo
incovenientes que o ferro, tornando um potencial de uso desta água por não apresentar
nenhuma quantidade deste poluente.
Nascimento (2004), em seu trabalho sobre Avaliação da Membrana de Osmose
Inversa no tratamento de água para torre de resfriamento, obteve um permeado com
quantidade de magnésio e cálcio de 2,4 mg/L e 8,2 mg/L, respectivamente, e com um pH na
faixa de 6,7. O autor salienta ainda, que embora a condutividade elétrica seja considerada alta,
ele ainda esta significamente menor que a água de alimentação.
Nascimento (2004) conclui que os valores de rejeição em seu estudo foram obtidos na
faixa dos 90%, indicando uma faixa ótima de remoção de poluentes, verificando que a
implantação do processo de osmose inversa para o tratamento de água é vantajoso, pois
minimiza os impactos ambientais das industrias.
O valor total de sólidos é determinado para verificar a viabilidade de uso deste
efluente, se o valor de sólidos totais presentes for muito alta, os tubos de troca de calor podem
ocorrer prejuízos que tornará inviável pelos danos que causam.
As Tabelas 3 e 4 apresentam que nos dois experimentos houve ausência de
microorganismos. Asano (1998) em seu trabalho sobre reuso da água de efluentes industriais
menciona que a presença de microrganismos patogênicos na água de reuso em torre de
resfriamento representa um risco em potencial para os operadores e para o público que circula
nas vias próximas ao sistema de resfriamento.
A qualidade da água para torre de resfriamento é fator predominante para o bom
funcionamento de tubos de troca de calor, problemas decorrentes de águas contaminadas
podem causar incrustações, corrosões e depósitos nas superfícies internas dos tubos. Cabe
salientar que águas de torre de resfriamento devem conter uma quantidade baixa de sólidos
dissolvidos totais para não tornar ineficiente a produção de vapor, essas águas devem ser
preferencialmente desmineralizada.
40
3 CONCLUSÃO
A aplicação da osmose inversa para reuso de efluentes na indústria de laticínios é
eficiente, houve remoção de carga orgânica acima de 98 %. O processo de separação por
membranas na indústria de laticínios atribui à água de segunda passagem pela membrana,
uma água de excelente qualidade para uso em torre de resfriamento.
Verifica-se que é possível utilizar processos de Osmose Inversa no tratamento de
efluente de indústria de laticínios com finalidade de reuso em torres de resfriamento. A
implantação desta tecnologia é vantajosa, pois minimiza os impactos ambientais resultantes
do tratamento de efluente e da captação de água para este processo, além de produzir uma
água de elevada qualidade.
41
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