Aula 3 - Águas Industriais - Furg - Respostas

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Águas industriais e de consumo 
Aula 3 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE
CÂMPUS CARREIROS
ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS
Prof. Enrique Chaves Peres
31/10/24
Tipos de captação e seus efeitos sobre a qualidade de água
Além das perspectivas de futura contaminação da água bruta, relacionada ao tipo de ocupação da bacia hidrográfica, alguns critérios que balizam esta escolha podem ser arrolados:
i) magnitude da vazão de demanda que, para os sistemas de maior porte;
ii) características da água bruta;
iii) custos de implantação, operação e manutenção;
iv) perspectivas de ampliação da vazão captada, relacionada ao aumento da área do reservatório de acumulação, à magnitude do curso d’água ou do aquífero subterrâneo.
Tipos de captação e seus efeitos sobre a qualidade de água
Como primeiro critério de definição do manancial, a magnitude da vazão de demanda necessária ao atendimento da população abastecível decorre da definição do consumo per capita (L/hab.dia), que, por sua vez, envolve uma série de fatores, cuja hierarquização pode ser:
i) nível socioeconômico da população abastecida;
ii) presença de indústrias;
iii) fatores climáticos, tais como regime de precipitações, temperatura e umidade;
iv) porte, características e topografia da cidade;
v) percentual de hidrometração e custo da tarifa;
vi) administração do sistema de abastecimento de água
Captação de Águas Superficiais
 
 A escolha do manancial deve privilegiar os cursos d’água mais próximos aos centros de consumo, reduzindo os investimentos na adução, mas cuja qualidade haverá de requerer gastos mais significativos no tratamento e maiores riscos à saúde da população abastecida? 
Ou a opção deverá recair nos mananciais mais distantes, comumente dotados de água bruta de melhor qualidade e de preservação menos problemática, minimizando por vezes os custos do tratamento e maximizando em contrapartida os da adução?
Captação de Águas Superficiais
Figura 1 -Período de seca e cheia de diferentes partes do Rio Negro - AM
A condição fundamental para escolha de um manancial superficial estabelece-se quando sua vazão média supera a vazão de demanda necessária ao abastecimento da comunidade, ao todo ou em parte. 
Posteriormente, com base em registros fluviométricos, estimam-se as vazões máximas e mínimas. As primeiras definirão o tipo de captação que preserve as estruturas hidráulicas nos períodos das cheias.
Captação de Águas Superficiais
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A segunda vertente verifica-se quando a vazão de demanda supera a vazão mínima do manancial, situação usual para a maioria dos grandes sistemas e para Região Nordeste do País. Desta, forma, há necessidade da construção de reservatórios de acumulação, objetivando regularizar o aporte e a retirada de água para abastecimento.
Caso a vazão de demanda seja inferior à vazão mínima, pode-se optar por efetuar captação direta, reduzindo os custos desta etapa do sistema de abastecimento. Todavia, nestas circunstâncias, a estação de tratamento deverá estar apta a potabilizar água bruta cujas características - principalmente físicas – poderão apresentar amplo espectro de variação entre os períodos chuvoso e de estiagem
Em relação à vazão mínima do manancial, duas vertentes descortinam-se:
Captação de Águas Superficiais
- Modelo geral de um sistema de abastecimento de água
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Sistema de abastecimento de água, com captação em curso de água e com reservatório apoiado (perfil)
Captação de água – Rio Grande 
Figura 3 – ETA – Rio Grande
Captação de água – Rio Grande 
Figura 3 – Captação de Água – Rio Grande - RS
Captação de Águas Subterrâneas
A água abaixo da superfície do solo pode ocorrer basicamente em duas zonas principais: zona de aeração(não saturada) e zona saturada. 
A primeira é ocupada parcialmente pela água e pelo ar, na qual ocorrem as principais interações entre os contaminantes e o solo, como uma zona de transição entre a poluição na superfície e nas águas subterrâneas. A zona de aeração pode estar ausente em áreas de pântanos, o que toma os aquíferos muito mais vulneráveis, ou atingir centenas de metros em regiões áridas.
 Na zona saturada, os poros do solo estão completamente preenchidos pela água formando os aquíferos, podendo até mesmo ocorrer a pressões superiores à atmosférica.
Alterações nas características das águas superficiais mineral
Alterações nas características das águas superficiais mineral
Os fatores intervenientes na probabilidade da presença de agrotóxicos em mananciais subterrâneos podem ser hierarquizados da seguinte forma: 
 Recarga no aquífero
 Permeabilidade do solo
 Solos cársticos ou não consolidados
 Tipo de escavação do poço
 Profundidade do poço
 Selamento do poço
Tecnologias de Tratamento
A potabilização das águas naturais para fins de consumo humano tem como função essencial adequar a água bruta aos limites físicos, químicos, biológicos e radioativos estabelecidos pela Portaria 518, tomando o efluente da estação incapaz de transmitir qualquer maléfico à população abastecida. Embora pareça, não há redundância na assertiva anterior. 
Tecnologias de Tratamento
A definição da tecnologia a ser empregada no tratamento de água para consumo humano deve-se pautar sobretudo nas seguintes premissas principais:
• características da água bruta;
• custos de implantação, manutenção e operação;
• manuseio e confiabilidade dos equipamentos;
• flexibilidade operacional;
• localização geográfica e características da comunidade;
• disposição final do lodo.
Características da água bruta
Com objetivo de balizar a definição da tecnologia de tratamento, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama) elaborou classificação para as águas doces, salobras e salinas em função dos usos preferenciais. 
Características da águas naturais
Com intento similar ao do Conama, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1990) elaborou classificação das águas naturais para abastecimento público, recomendando para cada uma delas uma linha de tratamento mínimo.
Tecnologias de tratamento
À subsequente filtração cabe essencialmente a remoção de sólidos dissolvidos, microrganismos, tais como bactérias e cistos e oocistos de protozoários. Por fim, desinfecção cumpre inativar os microrganismos ainda presentes, como bactérias e vírus.
Na potabilização das águas naturais, as tecnologias de tratamento apresentam, basicamente, três fases nas quais processos e operações unitárias hão de se inserir: clarificação, filtração e desinfecção
Neste contexto, é possível afirmar que a clarificação - abarcando as etapas de coagulação, floculação e decantação/flotação - presta-se primordialmente à remoção dos sólidos suspensos e de parcela dos sólidos dissolvidos.
Estações de Tratamento
De um modo geral, as estações de tratamento de água atualmente utilizadas no Brasil podem ser classificadas em três categorias básicas:
estações de tratamento convencionais
estações de filtração direta
estações de flotação a ar dissolvido
Estações de Tratamento Convencionais
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É a categoria que apresenta o maior número, seja em unidades usuais com decantadores de fluxo horizontal ou em unidades de alta taxa. São adequadas para águas turvas correntes, de turbidez média a elevada, suportando cargas de até 1.000 UNT. 
a) Pré-tratamento químico para produzir um floco sedimentável, com as seguintes unidades:
b) Filtração como polimento para remover flocos residuais, em filtros comuns com até 4 m³ de profundidade total
 mistura rápida (coagulação)
decantação, com uma taxa superficial (ou equivalente) de 20 m³ a 40 m³ · dia
floculação, com um tempo de detenção entre 20 e 40 min
Estações de Tratamento com Filtração Direta
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Atualmente, têm sido muito utilizadas, de certa forma de maneira um tanto indiscriminada, principalmente por serem de baixo custo com a eliminação dos tanques de decantação.Suporta cargas de turbidez de até 50-60 UNT.
a) Pré-tratamento químico para fazer um floco filtrável, com estas unidades:
mistura rápida
floculação reduzida (5 a 10 min)
b) Filtração, como processo único para a remoção de todos os sólidos coagu-lados (flocos) em unidades profundas (> 4 m).
Estações de Tratamento com Flotação de Ar Dissolvido
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Praticamente seu campo de utilização é o mesmo das estações convencionais. Admite cargas de turbidez de até 600 UNT, havendo situações em que unidades existente. trataram águas de até 4.000 UNT por períodos curtos. 
a) Pré-tratamento para produzir um floco flutuável (flotável):
mistura rápida
floculação reduzida (5-10 min)
flotação, com taxas de até 400-600 m³/m² .dia
b) Filtração, como polimento para remover flocos residuais, em unidades idênticas às usadas na decantação.
Tecnologias de Tratamento
Configuração 4: em casos de aumento na contagem de algas na água bruta, sem restrição de turbidez (desde que não supere 100 UNT) a flotação a ar dissolvido apresenta-se como a melhor alternativa.
• Configuração 5: em casos de turbidez da água bruta superior a 100 UNT pode ser necessária a pré-sedimentação para preparar a água para os processos pos-teriores (decantação ou flotação).
Tecnologias de Tratamento
concentração de clorofila a (CHL)
Configuração 1: somente filtração direta.
Configuração 2: dupla filtração.
Configuração 3: nos casos de turbidez mais elevada combinada com um teor de algas relativamente baixo, a escolha pode recair em clarificação por decan-tação ou por flotação a ar dissolvido.
Coagulação
Em uma acepção abrangente, coagulação é a alteração físico-químicas de partículas coloidais de uma água, caracterizada principalmente por cor e turbidez, produzindo partículas que possam ser removidas em seguida por um processo físico de separação, usualmente a sedimentação.
 A coagulação consiste essencialmente na desestabilização das partículas coloidais e suspensas realizada pela conjunção de ações físicas e reações químicas, com duração de poucos segundos, entre o coagulante - usualmente um sal de alumínio ou de ferro -, a água e as impurezas presentes.
Coagulação
Em solução aquosa os íons metálicos de ferro e de alumínio, positivamente carregados, formam fortes ligações com os átomos de oxigênio podendo coordenar até seis moléculas de água ao redor, liberando os átomos de hidrogênio (aumentando a concentração do íon H+) e reduzindo o pH da suspensão. Este processo denomina-se hidrólise e os produtos formados constituem-se as espécies hidrolisadas de ferro e alumínio, podendo culminar, em função da dosagem, no precipitado de hidróxido do metal
Posteriormente, verifica-se o transporte dessas espécies para o contato com as impurezas presentes, etapa denominada mistura rápida, causando - em função da magnitude da dosagem e pH de coagulação - sua desestabilização ou envolvimento nos precipitados.
Coagulação - Colóides
Embora não consensual, a distinção entre partículas suspensas e coloidais, ou partículas e coloides, frequentemente é reportada à dimensão de 1 µm. Para efeito da coagulação, e do tratamento como um todo, considera-se a maioria das bactérias e protozoários como partículas e os vírus como coloides.
Soluções coloidais – 1 a 100 nm
Coagulação - Colóides
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Coloide é uma dispersão de pequenas partículas de um material com um outro. São classificados como: sol, uma dispersão de um sólido em um líquido ou de um sólido em um sólido; emulsão, uma dispersão de um líquido em um líquido; e aerossol, de um líquido ou um sólido em um gás. Especificamente para a água como solvente, um sol pode ser hidrófobo, significando que repele a água, ou hidrófilo, que tem afinidade por ela.
Coagulação – Tipos de Coagulantes
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Os coagulantes usuais incluem sais de alumínio ou de ferro. O coagulante mais utilizado tem sido o sulfato de alumínio – Al2(SO4)3·14H2O. Em aplicações específicas, mais como auxiliares de coagulação, é comum a adição de polímeros, sílica ativada e bentonita. 
Coagulação – Sulfato de Alumínio
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O sulfato de alumínio em solução é um ácido, e é corrosivo, devendo ser armazenado em tanques de madeira, chumbo, ou com revestimento de: borracha, plástico, epóxi ou aço inoxidável. Pode ser fornecido seco, em pedras ou granular, ou líquido (em solução). 
Coagulação – Tipos de Coagulantes
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Coagulação – Sulfato de Alumínio
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Coagulação – Tipos de Coagulantes
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O auxiliares de coagulação visam elevar a velocidade de sedimentação dos flocos ou, em estações de filtração direta, aumentar a resistência aos efeitos de cisalhamento provocados pelas forças hidrodinâmicas do escoamento pelos interstícios do meio filtrante, retardando a ocorrência do traspasse e, consequentemente, prolongando a duração das carreiras dos filtros 
Coagulação – Concentração do Coagulante
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Nas estações de tratamento de água, a concentração do coagulante é limitada pela dosagem empregada e, sobretudo, pelo volume dos tanques de preparo. Quando as soluções de sulfato de alumínio e de cal hidratada são preparadas na própria estação de tratamento é usual o emprego de concentrações de 10 e 5 %, respectivamente. Como consequência toma-se frequente relação entre a vazão de coagulante e a vazão afluente à estação de tratamento de 1/5.000 a 1/10.000.
Coagulação - pH
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O pH de coagulação é um parâmetro crítico na eficiência do processo. Como o pH resultante depende do coagulante utilizado, da dose aplicada e da alcalinidade presente, há a necessidade do conhecimento desses dados para otimizar o processo, o que geralmente é obtido com ensaios de coagulação (“jar-test”).
Coagulação - pH
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Além da formação das espécies hidrolisadas, a importância do pH de coagulação manifesta-se como ferramenta para minimizar a concentração de alumínio na água tratada, ao manter este parâmetro no intervalo de 6,0 a 6,5, próximo ao pH de mínima solubilidade do hidróxido de alumínio.
Coagulação - pH – Potencial Zeta 
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Na mistura rápida, as reações de hidrólise e precipitação que ocorrem com a adição do coagulante são praticamente instantâneas e são seguidas pela coagulação, fase também muito rápida, em que sucede uma floculação pericinética, na qual as partículas sólidas primárias crescem até um tamanho limite da ordem de 10 micra. Na coagulação, a estabilidade dos coloides e a sua carga superficial – o potencial Zeta –, representam um papel decisivo, e a agregação das partículas
O potencial zeta (ou potencial eletrocinético) é uma medida da magnitude da repulsão/atração eletrostática entre partículas e é um dos parâmetros fundamentais conhecidos por afetar a estabilidade de sistemas dispersos
Coagulação - pH – Potencial Zeta 
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* Unidade eletrostática no sistema CGS de unidades.
Eletroforese é o movimento de partículas coloidais carregando parte de sua dupla camada em um campo elétrico. Assim, sendo possível medir a velocidade da partícula, pode-se determinar a magnitude do potencial zeta pela equação de Smoluchowski (1916), que pela primeira vez utilizou a mobilidade eletroforética para determinar o potencial zeta
v= velocidade da partícula, μm/s 
E= potencial aplicado por unidade de comprimento da célula eletroforética, volt/cm
M= v/E: mobilidade eletroforética, (μm/s)/(V/cm)
D=constante dielétrica da água = 80,4 c.g.s.e. a 20 °C e 78,5 c.g.s.e.* a 25 °C
μ= viscosidade dinâmica da água, poises (1 poise = 0,0102 kg · s/m2)
Coagulação - pH – Potencial Zeta 
Acabou aqui
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Exercício: Na análise de uma água bruta, foram aplicados 50 V nos eletrodos de uma célula eletroforética com 10 cm de comprimento e uma retícula de 200 μm de espaçamento. O tempo medido para uma partícula se deslocar por uma divisão da retícula foi de 30 segundos, e a temperatura da amostra, 25 °C. Determinar o potencial zeta. Dados: μ = 0,009 poise e D = 78,5 
Coagulação - pH – Potencial Zeta 
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Resposta: 19,2 mVO potencial zeta é positivo quando as partículas migram do polo positivo para o negativo, e negativo no sentido contrário. Para as águas naturais, o potencial zeta é negativo, variando geralmente entre –8 mV e –20 mV. 
Coagulação - Temperatura
São comuns temperaturas inferiores a 5 °C, daí o ponto de congelamento do coagulante ser uma característica de maior relevância
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A temperatura influi na coagulação por sua ação na constante de equilíbrio da água, fazendo variar o pOH para um dado pH de coagulação. Na mistura e floculação, a variação da viscosidade com a temperatura altera os gradientes de velocidade aplicados, podendo tornar necessárias correções para manter ou melhorar a eficiência do processo.
Pesquisas empregando águas a 20 e 5 °C concluíram que os flocos formados a baixas temperaturas são menos resistentes às forças hidrodinâmicas de cisalhamento, elevando a possibilidade do traspasse nos interstícios do meio filtrante. 
Coagulação - Alcalinidade
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A alcalinidade da água bruta, natural ou artificial, funcionará como tampão, minimizando a queda muito acentuada do pH de coagulação. Este fato adquire maior relevância no mecanismo da varredura quando o coagulante empregado é o sulfato de alumínio, pois este apresenta espectro de variação mais restrito do pH de coagulação para formação do hidróxido, comparado ao cloreto férrico.
Frequentemente há necessidade de se conferir à água tratada alcalinidade adicional - não consumida durante a coagulação - para preservação dos condutos. A aplicação da cal hidratada para correção do pH final tem como inconveniente a elevação da turbidez da água tratada. Com frequência verifica-se a substituição da cal hidratada pela barrilha (carbonato de sódio) em estações que produzem consistentemente água filtrada com turbidez inferior a 0,5 uT, 
Coagulação - Parâmetros
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Coagulação - Parâmetros 
A coagulação é fortemente influenciada pelo tamanho das partículas, sobretudo quando o mecanismo predominante é a adsorção. Nesse caso, como já ressaltado, a área superficial exerce papel significativo na dosagem do coagulante em virtude da adsorção das espécies hidrolisadas na superfície das partículas. A amplitude de variação da dosagem de coagulante no mecanismo de adsorção tende a se elevar em função do número de partículas coloidais presentes na suspensão.
Coagulação – Qualidade da Água
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1) Alta concentração de coloides e baixa alcalinidade 
4) Baixa concentração de coloides e alta alcalinidade
3) Baixa concentração de coloides e baixa alcalinidade
2) Alta concentração de coloides e alta alcalinidade 
Nesse caso, é necessária uma alta dose de coagulante e a coagulação se dará a um pH próximo ao neutro.
Essa é a condição mais fácil de tratar, bastando a determinação de um único parâmetro: a dosagem ótima de coagulante. A coagulação ótima se dá a baixos valores do pH, geralmente entre 4,5 e 6, dependendo do coagulante.
É a condição mais difícil de tratar. Sem a adição de um alcalinizante (cal, soda cáustica, carbonato de sódio), o pH poderá tomar valores mais baixos que o ótimo de coagulação, impedindo ou dificultando a coagulação. Essa é a situação em que geralmente é viável a filtração direta. Para a decantação, poderá ser necessária a adição de um auxiliar de coagulação com o objetivo de aumentar a velocidade de floculação e dar peso aos flocos. No caso de polieletrólito, este geralmente será não iônico.
A coagulação será facilmente realizada a uma dosagem relativamente alta de coagulante, pH ao redor de 7. Eventualmente, poderá ser conveniente a adição de um auxiliar de coagulação, como na situação anterior, para dar peso ao floco e facilitar a decantação.
Coagulação – Tempo de detenção e Velocidade de mistura rápida
A mencionada relação entre as vazões de coagulante e afluente à estação toma importante que a homogeneização do coagulante na massa líquida ocorra com alta turbulência, para evitar que as espécies hidrolisadas combinem-se mutuamente nos pontos de maior concentração do coagulante, fenômeno denominado retromistura
G=gradiente de velocidade (s–1) 
μ= coeficiente de viscosidade (kgf · s · m–2 ou Pa · s = N · s · m–2)
V= volume da câmara de mistura (m³) 
P= potência aplicada à água (kgf · m · s–1 ou W = N · m · s–1)
Coagulação – Tempo de detenção e Velocidade de mistura rápida
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Exercício - De acordo com Kawamura (1991), o produto GT na mistura rápida deve se encontrar na faixa de 300 a 1.600. Calcular o gradiente de velocidade em uma câmara de mistura rápida de uma estação de tratamento de água que trata 4,5 m3/s. O volume da câmara é de 9 m3 e a temperatura da água, 15 °C. A câmara dispõe de um misturador mecânico que aplica à água uma potência de 6,5 kW. Verificar se o gradiente e o tempo de mistura são satisfatórios. 
Dados: A 15 °C tem-se μ = 1,139 × 10–3 N · s · m–2
Coagulação - pH – Potencial Zeta 
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Resposta: G=796 s-1 T=2 s
GT= 1592 
Portanto, de acordo com as recomendações de Kawamura.
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