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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
GABRIELE CRISTINE RIBEIRO ALUVINO
Estudo da aplicação do extrato de semente de Moringa oleifera visando a substituição do coagulante sulfato de alumínio em uma estação de
tratamento de água para abastecimento
Lorena - SP
2015
GABRIELE CRISTINE RIBEIRO ALUVINO
Estudo da aplicação do extrato de semente de Moringa oleifera visando a substituição do coagulante sulfato de alumínio em uma
estação de tratamento de água para abastecimento
Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena EEL-USP como requisito parcial para a conclusão de Graduação do curso de Engenharia Industrial Química.
Orientadora: Professora Drª. Teresa Cristina Brazil Paiva
Lorena - SP 2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Aluvino, Gabriele Cristine Ribeiro Estudo da aplicação do extrato de semente deMoringa oleifera visando a substituição do coagulantesulfato de alumínio em uma estação de tratamento deágua para abastecimento / Gabriele Cristine RibeiroAluvino; orientadorA Teresa Cristina Brazil Paiva. -Lorena, 2015. 48 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaIndustrial Química - Escola de Engenharia de Lorenada Universidade de São Paulo. 2015OrientadorA: Teresa Cristina Brazil Paiva
1. Semente de moringa oleifera. 2. Sulfato dealumínio. 3. Tratamento de Água. I. Título. II. Paiva,Teresa Cristina Brazil, orient.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, por todas as bênçãos alcançadas em minha vida e a minha
família, em especial meu pai Paulo César Aluvino que me criou de maneira inefável
e por quem tenho eterna gratidão. Deus e minha família foram meus alicerces e
onde encontrei alento nos momentos de dificuldade.
Ao meu noivo, Wesley Novaes Fioreze Costa, com amor, carinho e admiração pela
compreensão, auxílio e apoio incansável durante toda a elaboração deste trabalho.
À Profª. Drª. Teresa Cristina Brazil Paiva, pela atenção e apoio durante o processo
de pesquisa e orientação.
Ao Prof. Dr. Luís Fernando Figueiredo Faria, por toda atenção, auxílio e por ceder
equipamento utilizado em minha pesquisa.
À técnica Lúcia Aparecida Bernardes de Almeida Castro, que desde o início da
minha graduação sempre esteve disposta a me ajudar e muito me ensinou,
contribuindo para meu crescimento científico e intelectual.
Ao SAAE por toda a colaboração durante o desenvolvimento da minha monografia.
À Escola de Engenharia de Lorena – USP, funcionários, professores e amigos, que
contribuiram para minha formação em Engenheira Industrial Química.
EPÍGRAFE
“Por vezes sentimos que aquilo que fazemos não é senão uma gota de água no
mar. Mas o mar seria menor se lhe faltasse uma gota.”
Madre Teresa de Calcutá
RESUMO
ALUVINO, G. C. R. Estudo da aplicação do extrato de semente de Moringa
oleifera visando a substituição do coagulante sulfato de alumínio em uma estação de tratamento de água para abastecimento. 2015. 48 f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Industrial Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
É cada dia mais crescente a preocupação com a qualidade e escassez dos recursos naturais, dentre eles a água, que sem dúvidas é o mais importante para a vida do planeta. Resíduos de alumínio presentes na água de consumo causam problemas ambientais e apresentam riscos à saúde humana. Uma das fontes é o sulfato de alumínio, que é utilizado como coagulante na maioria das estações de tratamento de água do país. A utilização de produtos naturais no tratamento de águas demonstra ser uma forma menos prejudicial ao ambiente e aos consumidores, além de envolver baixos custos de produção. Neste trabalho foi proposto um estudo visando a viabilidade do uso do extrato da semente de moringa no tratamento de água para consumo. O estudo mostrou que a concentração ótima de extrato de semente de moringa na água é 140 mg/L. Nessa concentração foi obtida uma remoção de turbidez superior a 98% nas três etapas de tratamento: coagulação, floculação e sedimentação, usando o Jar Test. Sendo que com uma concentração de 90 mg/L a turbidez foi inferior a 1,0 NTU. Apesar de ser necessário realizar novos estudos, considerando os resultados obtidos neste trabalho, o extrato da semente de moringa mostrou ser um potencial coagulante capaz de substituir o sulfato de alumínio.
Palavras-chave: Semente de Moringa oleifera, Sulfato de Alumínio, Tratamento de Água.
ABSTRACT
ALUVINO, G. C. R. Applications of Moringa oleifera seed extract in order to replace coagulant aluminum sulfate in a water treatment plant for supplying. 2015. 48 f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Industrial Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
It is increasingly growing day by concern for the quality and scarcity of natural resources, including water, which undoubtedly is the most important for life on the planet. Aluminum residues in drinking water cause environmental problems and pose risks to human health. One source is aluminum sulfate, which is used as the coagulant for most water treatment plants of the country. The use of natural products for the water treatment demonstrates to be less damaging to the enviroment and consumers, in addition to involving lower production costs. In this paper was proposed a study aiming the feasibility aiming at the feasibility of using moringa seed extract in a water treatment plant for supplying. The study showed that the optimal concentration of moringa seed extract is 140 mg/L. In this concentration was obtained a higher turbidity removal to 98% in three processing steps: coagulation, flocculation and sedimentation, using Jar Test. Since a concentration of 90 mg/L of extract is the turbidity less than 1,0 NTU. Although it is necessary to carry out new studies, considering the results obtained in this study, the moringa seed extract was shown a coagulant potential able to replace aluminum sulfate.
Keywords: Moringa oleifera seed, Aluminum Sulfate, Water Treatment
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Captação de água bruta no Rio Paraíba do Sul .............................................................. 18
Figura 2 - Esquema da estação de tratamento de água do SAAE .................................................. 20
Figura 3 - Distribuição do tamanho das partículas presentes na água ........................................... 21
Figura 4 - Representações das estruturas primárias de quitina e quitosana onde n é o grau de
polimerização ................................................................................................................................... 24
Figura 5 - Semente da Moringa oleifera........................................................................................... 25
Figura 6 - Rio Paraíba do Sul ........................................................................................................... 28
Figura 7 - Equipamento Jar Test ...................................................................................................... 29
Figura 8 – Semente da Moringa oleifera com casca ....................................................................... 32
Figura 9 - Semente da Moringa oleifera sem casca ........................................................................ 32
Figura 10 - Pó da semente da Moringa oleifera ............................................................................... 33
Figura 11 - Turbidímetro da marca TECNOPON, modelo TB 1000 ................................................ 35
Figura 12 - Variação da turbidez final com a concentração de Moringa ......................................... 37
Figura 13 - Variação da porcentagem de remoção de turbidez com a concentração de extrato de
semente da moringa......................................................................................................................... 37
Figura 14 - Variação da turbidez final com a concentração de Moringa ......................................... 39
Figura 15 - Variação da porcentagem de remoção de turbidez com a concentração de extrato de
semente da moringa......................................................................................................................... 40
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Padrão de aceitação para consumo humano ................................................................. 16
Tabela 2 - Metas progressivas para atendimento ao valor máximo permitido para filtração rápida 17
Tabela 3 - Metas progressivas para atendimento ao valor máximo permitido para filtração lenta . 17
Tabela 4 - Características gerais de subprodutos da moringa empregados na alimentação. ........ 26
Tabela 5 - Recomendações quanto ao tipo de frasco, forma de preservação e prazo de execução
de análise para cada parâmetro ...................................................................................................... 30
Tabela 6 - Variáveis operacionais utilizadas no Jar Test ................................................................. 31
Tabela 7– Resultados das análises de pH, turbidez, dureza, sólidos dissolvidos totais e temperatura
na água bruta ................................................................................................................................... 36
Tabela 8 - Resultados obtidos na amostra de água, após tratamento, de pH, dureza e SDT e limites
estabelecidos ................................................................................................................................... 38
Tabela 9 - Resultados obtidos de pH, dureza e SDT após tratamento da água e os limites
estabelecidos ................................................................................................................................... 40
LISTA DE SIGLAS
CBH - PS – Comitê das Bacias Hidrográficas do Rio Paraíba do Sul
EDTA – Ácido etilenodiamino tetra-cético
ETA – Estação de Tratamento de Água
PAC – Policloreto de Alumínio
SAAE – Serviço Autônomo de Água e Esgotos de Aparecida
SDT – Sólidos Dissolvidos Totais
VMP – Valor Máximo Permitido
LISTA DE SÍMBOLOS
mg – miligrama
L – litro
NTU – Unidade Nefelométrica de Turbidez
uH – Unidade Hazen (mg-Col.L-1).
uT – Unidade de Turbidez
s – segundo
m – metro
g – grama
ºC – grau Celsius
rpm – rotação por minuto
min – minuto
mm – milímetro
µm – micrômetro
mL – milílitro
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 12
2. OBJETIVO ............................................................................................................................. 14
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................... 15
3.1. Padrão de Potabilidade.............................................................................................. 15
3.2. Etapas do tratamento de água realizadas no SAAE .......................................... 18
3.3. Coagulação/Floculação ............................................................................................. 20
3.4. Coagulantes Químicos .............................................................................................. 22
3.5. Coagulantes naturais ................................................................................................. 23
3.6. Rio Paraíba do Sul ...................................................................................................... 27
3.7. Jar Test .......................................................................................................................... 28
4. METODOLOGIA ................................................................................................................... 30
4.1. Caracterização da água ............................................................................................. 30
4.2. Operação em Jar Test ................................................................................................ 30
4.3. Preparação da Moringa oleifera como coagulante ............................................ 31
4.4. Determinação de pH ................................................................................................... 34
4.5. Determinação da concentração de Sólidos Dissolvidos Totais (SDT) ......... 34
4.6. Determinação de turbidez ......................................................................................... 34
4.7. Determinação de dureza............................................................................................ 35
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................................... 36
5.1. Análise da água bruta ................................................................................................ 36
5.2. Operação em Jar Test ................................................................................................ 36
6. CONCLUSÃO ........................................................................................................................ 42
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .............................................................. 43
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 44
ANEXO ........................................................................................................................................... 48
12
1. INTRODUÇÃO
A escassez da água já é uma realidade e esse problema tende a aumentar.
Alguns dos motivos são o comprometimento de sua qualidade, desperdícios, falta
de planejamento, má administração, mudanças climáticas e aumento de sua
demanda. Estes e outros fatores ameaçam o fornecimento de água em cidades por
todo o Brasil.
Os serviços públicos de abastecimento devem fornecer sempre água de boa
qualidade, além de realizar análises das águas obtidas em mananciais com a
finalidade de revelar se há ou não a necessidade de realizar qualquer processo
corretivo. Muitas cidades, como Nova Iorque, Roma e Madri, dispõem de água de
qualidade aceitável e não fazem tratamento (NETTO, 1991).
O Rio de Janeiro só adotou o tratamento da água de abastecimento em
1955. A necessidade de tratamento e os processos exigidos deverão ser
determinados com base nas inspeções sanitárias e nos resultados representativos
de exames e análises (NETTO, 1991).
Duas das principais preocupações nas fases de projeto e operação de uma
estação de tratamento de água (ETA) é a disponibilidade e a qualidade da água
bruta captada. Além desses dados, é importante definir o número de habitantes a
ser abastecidos, taxa de crescimento populacional, os custos associados, os tipos
de processos necessários para o tratamento e os impactos ambientais associados
à instalação (RIBEIRO, 2010).
No Brasil, somente em 1977, com o advento da Portaria 56 do Ministério da
Saúde foi estabelecido o primeiro padrão de potabilidade que definia os limites
máximos para as diversas características inerentes às águas de consumo humano.
Até então, recomendações do Serviço Norte-Americano de Saúde Pública
constituíam o único batizador em relação à qualidade da água potável (LIBÂNIO,
2008). Posteriormente, outras Portarias foram publicadas, dentre elas a Portaria 36,
em janeiro de 1990, e a Portaria 518 em março de 2004. Atualmente vigora a
Portaria nº 2.914, de 12 de dezembro de 2011.
13
Sais de alumínio e de ferro são os coagulantes mais utilizados no tratamento
de água para consumo humano, porém seus efeitos no meio ambiente e custo têm
motivado o uso de coagulantes orgânicos derivados de plantas
(GHEBREMICHAEL et al., 2005). Algumas sementes têm se apresentado como
coagulantes eficientes, como as de Moringa oleifera. Nesse sentido, muitos autores
confirmam que as sementes dessa planta agem como um coagulante capaz de
remover turbidez e melhorar a qualidade da água (BABU & CHAUDHURI, 2005).
Desse modo, este trabalho pretende estudar a capacidade coagulante do
extrato da semente da Moringa oleifera de modo a concluir sobre a viabilidade
técnica da sua utilização na estação de tratamento de água de Aparecida-SP. Os
experimentos de tratamento foram realizados em laboratório, utilizando o Jar Test,
que é um simulador de tratamento de água.
Sendo esta planta um recurso natural que pode ser produzida no Brasil, e no
caso de provada a viabilidade técnica da sua utilização a partir de novos
parâmetros, esta poderá ser utilizada em outras estações de tratamento de água e
trazer consequências positivas ao meio ambiente em larga escala.
14
2. OBJETIVO
O principal objetivo desse trabalho foi avaliar a viabilidade técnica de
substituir o coagulante sulfato de alumínio pelo extrato de semente de moringa no
tratamento de água para consumo humano.
15
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Padrão de Potabilidade
Muitos elementos e substâncias químicas podem ser encontrados
naturalmente na água, no entanto, as atividades industriais e agrícolas podem
elevar a concentração de alguns produtos, podendo acarretar valores impróprios
para o consumo humano. No projeto de uma ETA, o manancial de captação deve
ser cuidadosamente escolhido, com levantamento detalhado das atividades
humanas da região. A definição da tecnologia utilizada no tratamento pode exigir
caracterização física, química, bacteriológica e radiológica detalhada da água (DI
BERNARDO, et al, 2002).
Quanto à qualidade da água tratada, o Padrão de Potabilidade vigente no
Brasil é estabelecido pela Portaria n° 2.914 de 12/12/2011 do Ministério da Saúde,
em que as instituições ou órgãos aos quais a norma se aplica promovam as
adequações necessárias a seu cumprimento, no que se refere ao tratamento por
filtração de água para consumo humano suprida por manancial superficial e
distribuída por meio de canalização e da obrigação do monitoramento de
cianobactérias e cianotoxinas.
Na Portaria nº 2.914 são estabelecidos os limites máximos permitidos para
dezenas de parâmetros que precisam ser respeitados em toda água para consumo
humano distribuída no território nacional. Poucas estações de tratamento de água
no Brasil estão preparadas para realizar os ensaios previstos na legislação,
devendo a inspeção de alguns parâmetros, que exigem pessoal e equipamentos
sofisticados, ficar a cargo de outros órgãos municipais, estaduais ou federais. O
envio de amostras para análise é, contudo, responsabilidade do serviço de
tratamento de água, devendo-se obedecer rigorosamente à frequência de
amostragem determinada pela Portaria n º 2.914, sem exceções (DI BERNARDO,
et al, 2002).
16
Segundo a Portaria nº 2.914 do Ministério da Saúde, a água potável deve
estar em conformidade com o padrão de aceitação de consumo expresso na Tabela
1.
Tabela 1 - Padrão de aceitação para consumo humano
Parâmetro Unidade VMP Alumínio mg.L-1 0,2 Amônia (como NH3) mg.L-1 1,5 Cloreto mg.L-1 250 Cor Aparente uH 15 Dureza mg.L-1 500 Etilbenzeno mg.L-1 0,2 Ferro mg.L-1 0,3 Manganês mg.L-1 0,1 Sódio mg.L-1 200 Sólidos dissolvidos totais mg.L-1 1000 Sulfato mg.L-1 250 Sulfeto de Hidrogênio mg.L-1 0,05 Surfatantes mg.L-1 0,5 Turbidez uT 5 Turbidez (Desinfecção) uT 1* Turbidez (Filtração rápida) uT 0,5* Turbidez (Filtração lenta) uT 1* Zinco mg.L-1 5 Xileno mg.L-1 0,3
Fonte: Ministério da Saúde, 2011
Nota da tabela: * = em 95% das amostras
VMP = Valor máximo permitido
Além desses parâmetros, há a recomendação de que, no sistema de
distribuição, o pH da água seja mantido na faixa de 6,0 a 9,5 e o teor máximo de
cloro residual livre em qualquer ponto do sistema de abastecimento seja de 2 mg/L.
As metas para a redução progressiva da turbidez para atender o valor
máximo permitido de 0,5 para filtração rápida e de 1,0 para filtração lenta estão
descritas na Tabela 2 e Tabela 3, respectivamente.
17
Tabela 2 - Metas progressivas para atendimento ao valor máximo permitido para filtração rápida
Filtração rápida
Período após a publicação
da Portaria ≤ 0,5 uT ≤ 1,0 uT
Final do 1º ano Em no mínimo 25% das
amostras mensais coletadas
No restante das amostras
mensais coletadas
Final do 2º ano Em no mínimo 50% das
amostras mensais coletadas
Final do 3º ano Em no mínimo 75% das
amostras mensais coletadas
Final do 4º ano Em no mínimo 95% das
amostras mensais coletadas
Fonte: Ministério da Saúde
Tabela 3 - Metas progressivas para atendimento ao valor máximo permitido para filtração lenta
Filtração lenta
Período após a publicação
da Portaria ≤ 1,0 uT ≤ 2,0 uT
Final do 1º ano Em no mínimo 25% das
amostras mensais coletadas
No restante das amostras
mensais coletadas
Final do 2º ano Em no mínimo 50% das
amostras mensais coletadas
Final do 3º ano Em no mínimo 75% das
amostras mensais coletadas
Final do 4º ano Em no mínimo 95% das
amostras mensais coletadas
Fonte: Ministério da Saúde
As metodologias analíticas para determinação dos parâmetros físicos,
químicos, microbiológicos e de radioatividade devem atender às especificações das
normas nacionais, da edição mais recente da publicação Standard methods for the
examination of water and wastewater ou das normas publicadas pela ISO
(International Standartization Organization) (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2011).
18
3.2. Etapas do tratamento de água realizadas no SAAE
Dependendo da qualidade original da água, um ou mais processos são
necessários para o tratamento de água. Entre os principais processos, pode-se
citar: coagulação, floculação, decantação, filtração, desinfecção e fluoretação.
Na ETA de Aparecida são realizadas todas essas etapas, além da pré-
cloração que facilita a retirada de matéria orgânica e metais. O manancial utilizado
pelo município para o abastecimento de água é o Rio Paraíba do Sul. Segundo o
Plano Municipal Integrado de Saneamento Básico, o SAAE atende 12.200 ligações
domiciliares, a capacidade instalada é de 240 L/s e a demanda necessária em 2010
era de 140 L/s.
A Figura 1 mostra a captação de água bruta no Rio Paraíba do Sul.
Figura 1 - Captação de água bruta no Rio Paraíba do Sul
Fonte: Plano Municipal Integrado de Saneamento Básico de Aparecida
A coagulação é um processo de grande importância na remoção de
partículas suspensas e dissolvidas na água. Essa etapa consiste na
desestabilização das partículas coloidais que podem ser removidas nas etapas
seguintes (GHEBREMICHAEL, 2004). É um tratamento químico que permite a
posterior deposição das substâncias em suspensão e em colóides presentes na
19
água, sendo comumente utilizado um composto químico como sulfato de alumínio
ou sulfato ferroso (FUNASA, 2006).
A floculação é uma das operações unitárias da clarificação que se constitui
em um conjunto de fenômenos físicos que visam a redução do número de partículas
suspensas e coloidais presentes na massa líquida. Nessa etapa, há agitação para
que ocorram os choques entre as partículas anteriormente desestabilizadas pela
ação do coagulante objetivando a formação dos flocos a serem posteriormente
removidos por decantação (LIBÂNIO, 2008).
O processo de decantação para a remoção de partículas sólidas em
suspensão é um dos mais comuns no tratamento da água. Consistindo na utilização
das forças gravitacionais para separar partículas com densidade superior a da
água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento. As partículas
que não são removidas nessa etapa, deverão ser removidas na filtração (NETTO,
1991).
A filtração tem como função primordial a remoção das partículas
responsáveis pela cor e turbidez, cuja presença reduziria a eficácia da desinfecção
na inativação dos microrganismos patogênicos. Na quase totalidade dos filtros
empregados no tratamento de água, o meio filtrante assenta-se sobre camada de
cascalho, pedregulho ou seixos rolados, denominada camada-suporte (LIBÂNIO,
2008). No SAAE é utilizado carvão ativado, areia e pedras.
A próxima etapa é a desinfecção que tem por finalidade a destruição de
microrganismos patogênicos presentes na água, como: bactérias, protozoários,
vírus e vermes. A desinfecção se faz necessária porque não é possível assegurar
a remoção total dos microrganismos pelos processos físico-químicos, usualmente
utilizados no tratamento de água. O desinfetante mais empregado na purificação
da água é o cloro. Além da desinfecção, ele é útil para outras finalidades, como o
controle de sabor e odor, remoção de sulfeto de hidrogênio, ferro e manganês,
remoção de cor etc (NETTO, 1991).
Por último, ocorre a fluoretação que tem como objetivo elevar a concentração
de fluoreto para proteção à cárie dentária. Especificamente para São Paulo, um
levantamento realizado em 1998 apontou que, dos 635 municípios do Estado, 194
não realizam a fluoretação (LIBÂNIO, 2008).
A Figura 2, mostra o esquema da estação de tratamento de água do SAAE.
20
Figura 2 - Esquema da estação de tratamento de água do SAAE
Fonte: SAAE
Esses processos usados no tratamento convencional de água podem ser
simulados em laboratório, através de ensaios de tratabilidade em equipamentos
como o Jar Test. Este equipamento consiste em um conjunto de reatores estáticos
que fornece diferentes gradientes de velocidade. Desse modo, podem ser testados
diferentes coagulantes e simular a floculação e a sedimentação, sendo a água
analisada antes e depois da realização dessas operações (DI BERNARDO et al.,
2005).
3.3. Coagulação/Floculação
Muitas vezes os termos coagulação e floculação são utilizados como
sinônimos. A coagulação corresponde à desestabilização da dispersão coloidal,
obtida por redução das forças de repulsão entre as partículas com cargas
21
negativas, sendo geralmente necessária agitação intensa por um período curto
para que o processo seja eficiente. A Figura 3 mostra as faixas de tamanho destas
partículas.
Figura 3 - Distribuição do tamanho das partículas presentes na água
Fonte: PAVANELLI, 2001
Os principais mecanismos que atuam na coagulação são: compressão de
camada difusa, adsorção e neutralização, varredura ou ainda adsorção e formação
de pontes (PAVANELLI, 2001).
Estes mecanismos podem ocorrer de acordo com o agente coagulante
empregado (SANTOS, 2006).
A floculação consiste no processo de agregação dessas partículas em
suspensão devido, principalmente, às forças de Van der Waals, de modo a formar
partículas maiores que possam sedimentar. Pode ocorrer formação dos flocos de
maneira espontânea, apenas pelos sucessivos choques entre as várias partículas
presentes, desde que o sistema apresente energia disponível, energia esta
decorrente da agitação. No entanto, uma agitação muito intensa pode fazer com
que os flocos formados se desagreguem espontaneamente (CARDOSO, 2008).
22
3.4. Coagulantes Químicos
Os sais de alumínio e ferro são os compostos mais utilizados atualmente nas
estações de tratamento de água, sob a forma de sulfato de alumínio e sulfato
ferroso. O sulfato de alumínio se destaca como o coagulante químico mais utilizado
devido a sua relativa eficiência, seu baixo custo, fácil armazenamento e transporte.
Porém, o alumínio não é biodegradável e em elevadas concentrações pode
ocasionar problemas à saúde humana, como o processo degenerativo do Mal de
Alzheimer , envolvendo riscos relativos para populações expostas a concentrações
superiores a 0,1 mg/L de alumínio em água potável (CARDOSO, 2008; MAGACHO,
2009).
Outro coagulante químico de destaque é o policloreto de alumínio, conhecido
como PAC, contendo em sua estrutura cerca de 10 - 25% de Al2O3, como
ingrediente ativo. Este coagulante polimérico sintético apresenta vantagens sobre
os coagulantes inorgânicos, como a capacidade de produzir flocos em qualquer
faixa de pH, mais eficientes na remoção de sólidos e menor formação de lodo
(FONSECA, 2011). No entanto, seu uso deve ser controlado devido a produção de
produtos clorados e outros subprodutos prejudiciais na água tratada que causam
danos à saúde humana (NDABIGENGERESE; NARASIAH, 1998).
Em alguns casos, para que a coagulação aconteça é necessária a presença
de um agente alcalinizante no meio reacional. Os mais utilizados são óxido de
cálcio, hidróxido de cálcio ou carbonato de sódio. Podem ainda ser utilizados
auxiliares de floculação, como a sílica ativada, polieletrólitos, argila, betonita, entre
outros, cuja finalidade é tornar o floco mais denso, facilitando a decantação
(MAGACHO, 2009).
23
3.5. Coagulantes naturais
Um dos aspectos considerados para a escolha do coagulante em
determinados países é as características do lodo gerado no tratamento, que está
diretamente relacionado a qualidade da água bruta e do pré-tratamento químico
adotado. As características físico-químicas do lodo variam conforme a composição
química do coagulante, sendo que problemas relacionados a disposição deste
material podem ser minimizados ajustando a etapa de coagulação ou mesmo
alterando o coagulante utilizado (SANTOS, 2007).
Assim, o uso de coagulantes de origem natural tem crescido
significativamente, pois são biodegradáveis, não são tóxicos e poluem menos,
produzindo efluentes com menores quantidades de elementos metálicos quando
comparados aos coagulantes químicos (KATAYON, 2005).
Derivados de Tanino
Taninos são compostos polifenóis encontrados em uma grande variedade
de plantas superiores, com características adstringentes. Têm como grande
vantagem apresentar a propriedade de adsorver metais dissolvidos em água,
aglutinando-os por precipitação no meio. Além disso, tem a capacidade de eliminar
ou diminuir a toxidez existente em águas contaminadas por bactérias clorofiladas
ou cianofíceas (FONSECA, 2010).
Segundo Heredia, Martín e Muñoz (2010), taninos têm sido testado com
sucesso na eliminação de corantes, remoção de surfactantes, remediação de
águas municipais e clarificação de água. O conhecimento da estrutura química do
tanino é uma tarefa difícil devido à sua complexidade química e o fato de eles serem
tomados de uma matriz natural sem uma purificação completa.
Quando os taninos agem como coagulantes, atuam eliminando a camada de
solvatação das partículas coloidais, acarretando a desestabilização dos colóides,
gerando os flocos, em faixa de pH de 4,5 a 8,0 (PELEGRINO, 2008).
24
Quitosana
A quitosana é um polieletrólito natural, um dos principais derivados da
quitina, encontrado no esqueleto de animais marinhos como caranguejos,
camarões e lagostas. É um produto de baixo custo, renovável e biodegradável. As
carapaças de crustáceos são resíduos abundantes e rejeitados pela indústria
pesqueira, que as consideram poluentes. Durante o processamento do camarão,
na etapa de descasque, são geradas grandes quantidades de resíduo sólido. Este
resíduo é em geral clandestinamente enterrado ou jogado em rios ou no mar. Tendo
em vista que tal resíduo é constituído por proteínas, carbonato de cálcio, pigmentos
e quitina, tem havido grande interesse em seu reaproveitamento (FONSECA, 2010;
CARVALHO, 2008).
Segundo Carvalho (2008), a quitosana tem sido largamente utilizada em
estudos relacionados ao tratamento de água e efluentes, sendo empregada como
coagulante/floculante, como agente quelante de metais, como adsorvente de
corantes, ânions metálicos e outros.
Figura 4 - Representações das estruturas primárias de quitina e quitosana onde n é o grau de
polimerização
Fonte: BATTISTI; FILHO, 2008
25
Moringa oleifera
Moringa oleifera, conhecida como moringa, é uma planta nativa do norte da
Índia. Porém, atualmente pode ser encontrada em quase todos os trópicos. No
Brasil, é conhecida como quiabo-de-quina e lírio branco; na Índia, como Sajina e
Shekta, e nos Estados Unidos como Horse-radish-tree (GERDES, 1997).
É um arbusto ou árvore de pequeno porte, que alcança até 12 metros de
altura. Trata-se de uma planta de crescimento rápido, caducifólia, com casca de cor
clara. A propagação da moringa é feita por meio de sementes, mudas ou estacas.
A planta é capaz de suportar longos períodos de estio, solos pobres e condições
semi-áridas. A planta pode alcançar até 4 m de altura em um ano, sendo cultivada
num espaço de 3 m. Quando adulta alcança uma produção anual de 3 a 5 toneladas
de sementes por hectare (MORTON, 1991).
As suas sementes são cápsulas arredondadas, contendo três asas
equidistantes que são revestidas por uma casca com certa dureza com aspecto de
ovo estralado. As folhas são bipenadas e as flores são amarelo-pálidas e
relativamente grande (SOUSA, 2006).
Figura 5 - Semente da Moringa oleifera
Fonte: http://www.finom.edu.br/
A árvore possui subprodutos, tais como: vagens, folhas, flores e sementes,
que podem ser empregados na nutrição tanto humana quanto a animal, na
agricultura, na indústria farmacêutica, cosmética e alimentícia, podendo ainda ser
empregada como lubrificante e biocombustível (LILLIEHOOK, 2005).
26
Quanto ao aspecto nutricional, um dos usos principais é aproveitar vagem e
folhas como alimento. A Tabela 4 mostra as características gerais dos subprodutos
da Moringa empregados na alimentação.
Tabela 4 - Características gerais de subprodutos da moringa empregados na alimentação.
Conteúdo Vagem Folhas Pó das folhas Umidade (%) 86,9 75,0 7,5 Calorias/100g 26 92 205 Proteína (g/100g) 2,5 6,7 27,1 Gordura (g/100g) 0,1 1,7 2,3 Carboidrato (g/100g) 3,7 13,4 38,2 Fibra (g/100g) 4,8 0,9 19,2 Mineral (g/100g) 2,0 2,3 27,1
Fonte: PRICE (2000).
Em relação ao tratamento por coagulação-floculação de águas residuais ou
destinadas ao consumo humano, estudos demonstram que a percentagem de
remoção de turvação utilizando tanto a semente como a solução do extrato da
Moringa oleifera é de 80 a 99% (OKUDA et al, 1999).
O uso da Moringa oleifera em tratamentos de água pode ser aplicado como
em processos de adsorção da carga orgânica (VIEIRA, 2009) ou pela obtenção de
um extrato coagulante da semente (MADRONA, 2010). As vantagens do extrato da
semente de moringa estão na facilidade de manuseio, no envolvimento de
tecnologias simples nas quais profissionais não qualificados podem operar, além
de um extrato biodegradável (NDABIGENGERESE; NARASIAH, 1998; VIEIRA et
al., 2010).
Ainda não se sabe exatamente qual a natureza exata dos compostos com
propriedades coagulantes que podem ser extraídos da Moringa oleifera. A extração
pode ser feita com água, resultando em compostos de características protéicas
(NDABIGENGERESE; NARASIAH, 1998). Outros autores reportaram que em
extração salina, o componente ativo não era uma proteína, lipídio ou carboidrato,
mas um polieletrólito orgânico, sugerindo que a extração em fase aquosa e a salina
podem gerar componentes de naturezas diferentes (OKUDA et al., 2001).
Segundo Ndabigengesere e Narasiah (1998) comparando solução à base de
sementes de Moringa oleifera com sulfato de alumínio constataram que o uso de
Moringa oleifera não promove alterações significativas nos valores de pH da água,
27
sendo que este permaneceu na faixa de 7,6 para as diversas dosagens testadas.
Já no caso do sulfato de alumínio houve uma redução no valor do pH de 7,6 para
4,2. Quanto à redução de turbidez, a moringa apresentou eficiência similar ao
sulfato de alumínio.
3.6. Rio Paraíba do Sul
O Rio Paraíba do Sul está localizado na Bacia Hidrográfica do Atlântico
Sudeste.O rio é formado na cidade de Paraibuna/SP da junção dos rios Paraitinga
e Paraibuna.A Bacia Hidrográfica do Rio Paraíba do Sul se estende por territórios
pertencentes a três Estados da Região Sudeste, São Paulo, Rio de Janeiro e Minas
Gerais (CBH-PS).
Uma das cidades que o Rio Paraíba do Sul atravessa é a cidade de
Aparecida-SP, sendo uma das últimas cidades da Bacia Hidrográfica desse rio no
Estado de São Paulo, ou seja, encontra-se após centros urbanos de grande e
médio porte como, por exemplo, São José dos Campos, Jacareí, Taubaté, dentre
outras.
Aparecida é conhecida como “Capital Mariana da Fé” e recebe anualmente
mais de onze milhões de visitantes, constituindo-se no maior centro de
peregrinação religiosa da América Latina. Na Figura 6, está a imagem de satélite
do Rio Paraíba do Sul.
28
Figura 6 - Rio Paraíba do Sul
Fonte: Adaptado de http://maps.google.com.br
3.7. Jar Test
A dosagem ótima dos produtos químicos que são empregados no tratamento
da água é obtida por meio de ensaios realizados em laboratórios, denominados
teste dos jarros ou Jar Test, exemplificado na Figura 7. Este ensaio vem sendo
utilizado também para determinar os parâmetros básicos para elaboração de
projetos de estações de tratamento de água.
29
Figura 7 - Equipamento Jar Test
Fonte: Próprio autor
Por meio deste ensaio determinam-se as condições ótimas para a floculação
de uma água, caracterizadas pelo tempo e pela agitação necessários. Uma vez
determinada a dosagem ótima dos coagulantes, faz-se necessário verificar qual o
tempo e o gradiente de velocidade ótimos para se flocular a água em estudo. Além
disso, deve-se verificar se a água obtida após a sedimentação apresenta redução
de turbidez capaz de atender a Portaria 2.914/2011 do Ministério da Saúde.
Como nesse tipo de teste interessam o tempo de floculação e o gradiente de
velocidade, para realizá-lo é necessário que o aparelho Jar Test tenha a
possibilidade de variar a velocidade de rotação dos agitadores; tal aparelho deve
possuir também um tacômetro onde será lido o número de rotações (AZEVEDO
NETO, 1987).
30
4. METODOLOGIA
4.1. Caracterização da água
A água foi coletada na estação de tratamento de água do SAAE (Serviço
Autônomo de Água e Esgotos de Aparecida) e transportada em uma bolsa térmica
com gelo reciclado, em recipientes de polietileno, conforme descrito no Manual
Técnico para Coleta de Amostras de Água (MINISTÉRIO PÚBLICO DE SANTA
CATARINA, 2009). O tempo entre a coleta e o armazenamento da água (à
temperatura de 4 ºC) foi inferior a 1 hora. Todas as análises seguiram o
recomendado na Tabela 5.
Tabela 5 - Recomendações quanto ao tipo de frasco, forma de preservação e prazo de execução
de análise para cada parâmetro
Parâmetros Frasco Preservação Prazo
Dureza Total Polietileno,
polipropileno e vidro
Refrigeração a 4ºC e
HNO3 para pH < 2
07 dias
pH Polietileno,
polipropileno e vidro -------
Análise imediata
Turbidez Polietileno,
polipropileno e vidro
âmbar
Refrigeração a 4ºC;
48 horas
Fonte: Metodologia inclusa na 21ª edição do Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater
4.2. Operação em Jar Test
Toda a simulação de uma estação de tratamento de água foi feita no
equipamento Jar Test. Primeiramente foi realizada uma triagem para verificar em
31
qual concentração do extrato de moringa seria obtida a melhor remoção de
turbidez. Depois de obtida essa concentração, foi realizado um ensaio em uma faixa
mais estreita do extrato de moringa. Não foi feita a correção do pH, pois a semente
de moringa tem um ótimo desempenho como coagulante no pH em que a água se
encontrava.
Na Tabela 6, estão demonstradas as variáveis operacionais utilizadas no Jar
Test.
Tabela 6 - Variáveis operacionais utilizadas no Jar Test
Mistura rápida
(Coagulação)
Mistura lenta
(Floculação) Sedimentação
Velocidade (rpm) 120 30
Duração (min) 4 25 30
Fonte: Próprio autor
Finalizadas as etapas de mistura rápida, lenta e de sedimentação, foram
medidos em todos os ensaios os valores de pH e turbidez. O ensaio com a condição
ótima foi aquele que apresentou o menor valor de turbidez.
4.3. Preparação da Moringa oleifera como coagulante
Existem vários processos de extração do componente ativo da Moringa
oleifera. Neste trabalho, o procedimento utilizado foi baseado no descrito por
Ribeiro (2010), como se reporta a seguir:
a) As sementes (Figura 8) foram descascadas (Figura 9) e o seu miolo
triturado num moinho de facas;
32
Figura 8 – Semente da Moringa oleifera com casca
Fonte: Próprio autor
Figura 9 - Semente da Moringa oleifera sem casca
Fonte: Próprio autor
b) O pó proveniente da trituração (Figura 10) foi posteriormente peneirado
em uma peneira de 20 mesh, obtendo uma fração inferior a 1 mm;
33
Figura 10 - Pó da semente da Moringa oleifera
Fonte: Próprio autor
c) A extração do composto ativo foi feito adicionando-se 5000 mg de pó de
Moringa oleifera a 0,2 L de água destilada com elevada agitação, usando
um agitador magnético durante 2 minutos;
d) O extrato obtido foi filtrado através de um filtro de papel de poro 7,5 µm
e o filtrado colocado num balão de 500 mL, completando-se o volume
com água destilada. O extrato obtido nestas condições corresponde a
uma concentração de 10.000 mg de Moringa oleifera/L.
A mistura entre o extrato da moringa e a água destilada resulta em um líquido
esbranquiçado, de cheiro intenso. Há também formação de espuma que não facilita
a filtração. O tempo de conservação é limitado devido a sua biodegradação. Por
esta razão, o extrato foi preparado no dia de execução dos ensaios em Jar Test.
34
4.4. Determinação de pH
O pH da água foi determinado através de leitura direta no pHmetro, marca
HANNA, modelo HI 9811-5.
4.5. Determinação da concentração de Sólidos Dissolvidos Totais (SDT)
A determinação da concentração de SDT foi também determinada por leitura
direta no equipamento da marca HANNA, modelo HI 9811-5.
4.6. Determinação de turbidez
A Determinação de turbidez foi realizada em um turbidímetro da marca
TECNOPON, modelo TB 1000. Antes da leitura da turbidez das amostras, o
equipamento foi calibrado com a utilização de padrões de 0,1; 0,8; 8; 80 e 100 NTU.
As análises foram realizadas em triplicata.
35
Figura 11 - Turbidímetro da marca TECNOPON, modelo TB 1000
Fonte: Próprio autor
4.7. Determinação de dureza
A dureza, foi medida através de titulação complexométrica. Colocou-se em um
erlenmeyer 50 mL da solução a ser titulada, 2 gotas do indicador negro de
eriocromo e 1 mL da solução tampão NH4OH/NH4Cl. Como padrão utilizou-se o
EDTA, na bureta. A dureza foi calculada segundo a seguinte equação (1). As
análises foram realizadas em triplicata.
�� = �� �� � �� � � � �� � � �� � � � (mg/L CaCO3) (1)
Em que:
F é o fator de correção do EDTA.
36
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. Análise da água bruta
Antes de realizar os ensaios no Jar Test foram realizadas as análises de pH,
turbidez, dureza, sólidos dissolvidos totais e temperatura na água bruta (Tabela 7).
Tabela 7– Resultados das análises de pH, turbidez, dureza, sólidos dissolvidos totais e
temperatura na água bruta
Análise
Efetuada pH
Turbidez
(NTU)
Dureza
(mg/L CaCO3)
SDT
(mg/L)
Temperatura
(ºC)
Água bruta 5,8 9,7 20,434±0 60 19,8
Fonte: Próprio autor
De acordo com a Portaria nº 2.914 do Ministério da Saúde, os resultados da
análise da água bruta do Rio Paraíba do Sul mostraram que os parâmetros pH e
turbidez encontram-se fora do limite estabelecido, fazendo-se assim necessário o
tratamento da água bruta.
5.2. Operação em Jar Test
Operação em Jar Test utilizando o extrato ativo de semente de Moringa
O primeiro ensaio foi acompanhado de um ensaio em branco, ou seja, com
água bruta sem adição de coagulante. As demais concentrações de coagulante
37
eram 30, 60, 90, 120 e 150 mg/L. O valor da turbidez final obtida e a porcentagem
de remoção da turbidez em função da concentração de Moringa oleifera, estão
apresentadas nas Figuras 12 e 13.
Figura 12 - Variação da turbidez final com a concentração de Moringa
Fonte: Próprio autor
Figura 13 - Variação da porcentagem de remoção de turbidez com a concentração de extrato de semente da moringa
Fonte: Próprio autor
8,95
3,9
2,1
0,720,41 0,58
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Tu
rbid
ez
fin
al
(NT
U)
Concentração de Moringa (mg/L)
7,73
59,79
78,35
92,5895,77 94,02
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Por
cent
agem
de
rem
oção
de
turb
idez
(%
)
Concentração de Moringa (mg/L)
38
A Figura 12 mostra que para concentrações de Moringa oleifera superiores
a 30 mg/L o valor de turbidez final obtido é inferior a 4 NTU e que para
concentrações superiores a 90 mg/L a turbidez final obtida é inferior a 1 NTU.
A condição ótima encontrada para o coagulante foi aproximadamente 120
mg/L, valor no qual o extrato de semente de moringa tem maior capacidade de
remoção de turbidez.
A Figura 13 mostra que com concentrações superiores a 90 mg/L já se obtém
uma porcentagem de remoção superior a 90%.
Os resultados obtidos após o tratamento da água bruta dos parâmetros pH,
SDT e dureza e os limites legais estabelecidos pela Portaria nº 2.914 do Ministério
da Saúde, para os vários parâmetros de qualidade de água para consumo humano
são mostrados na Tabela 8.
Tabela 8 - Resultados obtidos na amostra de água, após tratamento, de pH, dureza e SDT e
limites estabelecidos
Concentração de Moringa
(mg/L) pH
SDT (mg/L)
Dureza (mg/L
CaCO3)
0 6,6 60 21,672±1,073
30 6,5 60 19,195±1,073
60 6,5 60 18,576±0
90 6,5 60 19,195±1,073
120 6,5 60 19,814±1,073
150 6,5 60 20,434±0
Limite 6 a 9,5 1.000 500
Fonte: Próprio autor
Conforme pode ser visto na Tabela 8, os valores encontrados estão dentro
dos limites estabelecidos pela referida Portaria. Observa-se ainda que não houve
uma mudança significativa nos valores encontrados de SDT e dureza, antes e após
o tratamento.
39
Operação em Jar Test utilizando o extrato ativo de semente de Moringa em uma faixa mais estreita
Após ter sido encontrado a concentração em que se obteve a maior remoção
de turbidez, uma faixa mais estreita e próxima desse valor foi analisado. As
concentrações de extrato de moringa utilizadas foram 110, 130 e 140 mg/L.
O valor da turbidez final obtida e a porcentagem de remoção da turbidez em
função da concentração de Moringa oleifera estão apresentadas nas Figuras 14 e
15.
Figura 14 - Variação da turbidez final com a concentração de Moringa
Fonte: Próprio autor
0,52
0,35
0,16
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Tur
bide
z fin
al (
NT
U)
Concentração (mg/L)
40
Figura 15 - Variação da porcentagem de remoção de turbidez com a concentração de extrato de semente da moringa
Fonte: Próprio autor
A Figura 14 mostra que a concentração em que se obtém o menor valor de
turbidez para o extrato de semente da Moringa oleifera é a de 140 mg/L. Nessa
concentração do extrato, a porcentagem de remoção de turbidez foi igual a 98,35%
(Figura 15).
A Tabela 9 mostra os resultados obtidos, após o tratamento da água, das
análises de pH, SDT e dureza e os limites legais estabelecidos pela Portaria nº
2.914 do Ministério da Saúde, para os vários parâmetros de qualidade de água para
consumo humano.
Tabela 9 - Resultados obtidos de pH, dureza e SDT após tratamento da água e os limites
estabelecidos
Concentração de Moringa (mg/L) pH
SDT (mg/L)
Dureza
(mg/L CaCO3)
110 6,7 70 21,053±2,837
130 6,7 70 22,291±2,623
140 6,7 60 22,910±2,837
Limite 6 a 9,5 1.000 500
Fonte: Próprio autor
94,64
96,39
98,35
94
94,5
95
95,5
96
96,5
97
97,5
98
98,5
99
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Por
cent
agem
de
rem
oção
de
turb
idez
(%
)
Concentração (mg/L)
41
Os valores encontrados na água tratada com o extrato da semente de
moringa estão dentro dos limites estabelecidos pela Portaria nº 2.914. Os
resultados mostraram um pequeno aumento nos parâmetros de SDT e dureza. Isso
pode ser explicado pelo fato de que após terminada a etapa de sedimentação era
possível visualizar pequenos flocos ainda em suspensão.
Os resultados encontrados corroboram com os estudos realizados por
Ribeiro (2010). Estudos esses que foram realizados com a água proveniente do Rio
Bengo, na cidade de Luanda.
42
6. CONCLUSÃO
A aplicação do extrato ativo da semente de Moringa oleifera mostrou ser um
coagulante eficiente na redução da turbidez da água tratada para consumo
humano.
Em relação ao comportamento do extrato da semente de moringa no
tratamento das águas do Rio Paraíba do Sul, não foi necessário a correção de pH
com agentes alcalinizantes, quando o pH foi levemente ácido a neutro.
Com uma concentração um pouco inferior a 90 mg/L do extrato ativo da
semente de moringa, o valor da turbidez da água foi inferior ao limite estabelecido
pela Portaria nº 2.914 do Ministério da Saúde, bem como, os parâmetros SDT e
dureza que com a concentração de 140 mg/L, o extrato apresentou porcentagem
de remoção superior a 98%.
Se for levado em consideração os resultados preliminares obtidos e os riscos
à saúde humana, acarretados pelo uso do sulfato de alumínio no tratamento da
água de consumo, o extrato da semente de moringa mostrou ser um potencial
substituto ao coagulante, sulfato de alumínio, mais utilizado nas estações de
tratamento de água para consumo do Brasil. Porém, ainda carece de novos estudos
para se chegar a resultados conclusivos.
43
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Executar o tratamento com o extrato da Moringa oleifera e avaliar os demais
parâmetros de qualidade da água estabelecidos pela Portaria nº 2.914 do
Ministério da Saúde;
Estudar como outras variáveis operacionais, como o tempo de decantação,
etapa de filtração após a coagulação, floculação e sedimentação poderão
beneficiar o processo de tratamento;
Avaliar economicamente a produção do extrato da semente de moringa e
Realizar análises físico-químicas e biológicas do lodo gerado no tratamento.
44
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXO