Aula tratamento de água

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
DISCIPLINA: QUÍMICA INDUSTRIAL
PROFESSORA: PABLÍCIA OLIVEIRA GALDINO
TRATAMENTO DE ÁGUA
Tratamento de água é um conjunto de procedimentos físicos e químicos que são aplicados na água para que esta fique em condições adequadas para o consumo, ou seja, para que a água se torne potável. O processo de tratamento de água tem como objetivo eliminar qualquer tipo de contaminação, evitando a transmissão de doenças.
Padrões de qualidade
Água potável
É a água para consumo humano cujos parâmetros microbiológicos, físicos, químicos atendam ao padrão de potabilidade e que não ofereça risco à saúde;
Pode ser consumida por pessoas e animais sem riscos de adquirirem doenças por contaminação da mesma. Pode ser oferecida à população urbana ou rural com ou sem tratamento prévio;
Segundo a Agência Nacional de Águas (ANA, 2016), aproximadamente 97,05% da água encontra-se nos oceanos; 2,14% nas camadas de gelo e os 0,6% nos rios, lagos e águas subterrâneas;
A demanda crescente dos diversos usos de água tem despertado o interesse dos mais variados setores motivando-os a elaborar modelos de uso e gestão capazes de compatibilizar as demandas com a relativa escassez do produto e a sua qualidade adequada;
A qualidade da água tem sido comprometida desde o manancial, pelo lançamento de efluentes e resíduos, exigindo investimento nas plantas de tratamento e mudanças na dosagem de produtos para se garantir a qualidade da água na saída das estações.
Legislação
O Ministério da Saúde (MS) estabelece padrões de qualidade produção e distribuição de água potável;
A Portaria 2914/11 do Ministério da Saúde estabelece que a água produzida e distribuída para o consumo humano deve ser controlada. A legislação define, ainda, a quantidade mínima e a freqüência em que as amostras de água devem ser coletadas, bem como os parâmetros e limites permitidos;
O controle da qualidade da água de consumo humano se tornou uma ação de saúde pública a partir da década de 1970.
Parâmetros de avaliação
A água contém, geralmente, diversos componentes, sendo que para caracterizar uma água são determinados diversos parâmetros (físicos, químicos e biológicos), que indicam a qualidade da água e que é sempre o resultado dos processos que ocorrem sobre a bacia hidrográfica (condições naturais e ação antrópica).
A qualidade da água não é um valor absoluto e indica a adequabilidade para um determinado uso, cada atividade humana tem seus próprios requisitos de qualidade para consumo de água, quanto mede o estado de conservação do corpo hídrico e a intensidade de impacto ambiental em que está submetido o ambiente aquático que advém esta água.
Propriedades químicas da água
Acidez
É a capacidade da água em resistir em mudanças de pH causadas pelas bases. É devida a presença principalmente de gás carbônico livre (4,5 < pH < 8,2). Sua presença na água deve-se a sólidos dissolvidos e gases dissolvidos (CO2 e H2S).
No tratamento de água:
Tem pouco significado sanitário para água potável, mas águas com acidez mineral são desagradáveis ao paladar. Também a sua presença pode ocasionar corrosão de tubulações e materiais. O teor de CO2 livre (diretamente associado à acidez), o pH e a alcalinidade estão interrelacionados.
pH > 8,2 – CO2 livre ausente
4,5 < pH < 8,2 – acidez carbônica
pH < 4,5 – acidez por ácidos minerais fortes
Alcalinidade
A alcalinidade refere-se à quantidade de íons na água que reagirão para neutralizar os íons de hidrogênio. É a medição da capacidade de neutralizar ácidos. Os principais constituintes da alcalinidade são os bicarbonatos (HCO3-), carbonatos (CO32-) e os hidróxidos (OH-). A alcalinidade devida a bicarbonatos de Ca, Mg e Na é muito comum em águas naturais, cujas concentrações em águas brutas variam de 10 a 30 ppm. A presença de alcalinidade é fundamental na etapa de floculação da água, pois os coagulantes normalmente utilizados necessitam de um teor mínimo de alcalinidade para promover a formação de flocos. Excesso de alcalinidade gera inconvenientes industriais devido ao aumento das características incrustantes da água. Quando não há um mínimo de alcalinidade na água, utilizam-se agentes alcalinizantes como, por exemplo, hidróxido de sódio e carbonato de sódio. A alcalinidade total é expressa em mg/L de CaCO3.
No tratamento de água:
Não tem significado sanitário para água potável, mas em elevadas concentrações confere gosto amargo à água. É utilizado no controle da operação de ETAs (coagulação e grau de incrustação e corrossividade).
A alcalinidade, pH e teor de gás carbônico estão interrelacionados.
pH > 9,4 – hidróxidos e carbonatos
8,3 < pH < 9,4 – carbonatos e bicarbonatos
4,4 < pH < 8,3 – bicarbonatos
Dureza
A dureza é a concentração de cátions multimetálicos em solução. Os cátions mais comuns são Ca2+ e Mg2+. Em condição de supersaturação esses cátions reagem com os ânions na água e formam precipitados. A dureza pode ser classificada como dureza carbonato e dureza não carbonato. A dureza correspondente a alcalinidade é denominada dureza carbonato. Esta dureza é sensível ao calor e em elevadas temperatura precipita-se.
No tratamento de água:
Em determinadas concentrações causa sabor desagradável a água e pode ter efeito laxativo. Reduz a formação de espuma e provoca maior consumo de sabão. Pode causar incrustação em tubulações de água quente, caldeira e aquecedores.
dureza < 50 mg/L CaCO3 – água mole
50 mg/L < dureza < 150 mg/L CaCO3 – dureza moderada
150 mg/L < dureza < 300 mg/L CaCO3 – água dura
dureza > 300 mg/L CaCO3 – água muito dura
Propriedades físicas da água
Cor
A cor é responsável pela coloração da água, tendo sua origem em sólidos dissolvidos. A sua origem natural deve-se a decomposição da matéria orgânica, (principalmente vegetais – ácidos húmicos, fúlvicos em decomposição) e ferro e manganês. Em combinação com o ferro, a matéria orgânica pode produzir cor de elevada intensidade. Para fins de potabilidade, a legislação informa apenas que a cor não deve estar presente.
No tratamento de água:
Cor < 5 uH dispensam a coagulação química.
Cor > 25 uH aplicação de coagulação química seguida de filtração.
Turbidez
A turbidez é uma característica da água devido à presença de partículas suspensas na água com tamanho variando desde suspensões grosseiras até colóides, dependendo do grau de turbulência. A presença de partículas insolúveis do solo, matéria orgânica, microrganismos e outros materiais diversos provocam a dispersão e a absorção da luz, dando á água uma aparência nebulosa, esteticamente indesejável e potencialmente perigosa (turbidez acima de 5 ppm torna a água insatisfatória para potabilidade). A unidade de medida da turbidez é dada em ppm de SiO2 (mg/L). A turbidez prejudica a ação dos agentes desinfetantes, como o cloro, por exemplo, pois acaba protegendo certos microrganismos da ação desses agentes. Além disso, causa mau aspecto à água, tornando-a turva.
No tratamento de água:
Turbidez = 5 uT – ligeira nebulosidade na água
Turbidez < 20 uT – possível o tratamento com filtração lenta sem coagulação
Turbidez > 50 uT – necessidade de etapa antes da filtração
Sabor e odor
O sabor é a interação entre o gosto (salgado, doce, azedo e amargo) e o odor (sensação olfativa). Proveniente de sólidos em suspensão, sólidos dissolvidos (matéria orgânica em decomposição e microrganismos como algas) e gases dissolvidos (H2S).
No tratamento de água:
Parâmetro de caracterização de águas de abastecimento brutas e tratadas. A alteração deste parâmetro pode ocasionar o questionamento da confiabilidade da qualidade da água e proporcionar reclamação por parte dos consumidores.
Temperatura
A temperatura é a medição da intensidade de calor. Sua elevação aumenta a taxa das reações químicas e biológicas e sua diminuição reduz a solubilidade dos gases. É utilizado mais freqüentementepara caracterização da água bruta.
Condutividade
A condutividade elétrica é a medida da capacidade da água para conduzir a eletricidade. É indicativa da matéria ionizável total presente na água. A água pura contribui minimamente à condutividade, e em sua quase totalidade, é o resultado do movimento dos íons das impurezas presentes. A medida da condutividade é uma boa forma de controle de qualidade de uma água, sempre que:
* Não se trate de contaminação orgânica por substâncias não ionizáveis.
* As medições sejam realizadas na mesma temperatura.
* A composição da água mantenha-se relativamente constante.
pH
O pH é o potencial hidrogeniônico, representando a concentração de íons H+, indicando sobre a condição de acidez, neutralidade ou alcalinidade da água. Provém de sólidos dissolvidos e gases dissolvidos.
No tratamento de água:
É importante em diversas fases do tratamento: coagulação, floculação, desinfecção, corrossividade e remoção de dureza. O pH está diretamente associado a diferentes faixas de atuação ótimas de coagulantes. Pode ser corrigido antes e/ou depois da adição de produtos químicos no tratamento. O pH é padrão de potabilidade, devendo as águas para abastecimento público apresentar valores entre 6 e 9,5, de acordo com a legislação.
• Ferro e Manganês – estão presentes nas formas insolúveis (Fe3+ e Mn4+) em uma grande quantidade de tipos de solos (confere à água uma sabor amargo adstringente e coloração amarelada e turva). Na ausência do oxigênio dissolvido (águas subterrâneas ou fundo de lagos), eles se apresentam na forma solúvel (Fe2+ e Mn2+). Caso a água contendo as formas reduzidas seja exposta ao ar atmosférico (torneira do consumidor), o ferro e o manganês voltam a se oxidar às suas formas insolúveis (Fe3+ e Mn4+), o que pode causar cor na água (amarelada e turva), além de manchar louças sanitárias e roupas durante a lavagem, ou seja, há uma oxidação turva a água e sedimenta-se na forma de um depósito marrom-avermelhado.
• Cloretos – todas as águas naturais, em maior ou menor escala, contêm íons resultantes da dissolução de minerais. Os cloretos (Cl-) são advindos da dissolução de sais (cloreto de sódio). Em determinadas concentrações pode causar sabor salgado a água.
• Fósforo e Nitrogênio – no meio aquático o nitrogênio pode ser encontrado nas formas N2 (molecular), dissolvido e em suspensão (orgânico), amônia, nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-). O fósforo apresenta-se na forma de ortofosfatos (PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4-), polifosfatos e fósforo orgânico. O fósforo e nitrogênio são indispensáveis para o crescimento de algas e são responsáveis pela eutrofização de lagos e represas.
Parâmetros biológicos
Os microrganismos desempenham diversas funções de grande importância, principalmente as relacionadas com a transformação de matéria dentro dos ciclos biogeoquímicos.
As análises das características bacteriológicas de água incluem a pesquisa por organismos vegetais, como algas (verdes, azuis, diatomáceas), bactérias (saprófitas e patogênicas), leveduras, fungos e vírus. Os organismos animais são os protozoários e vermes, o parâmetro mais importante é a pesquisa de coliformes. O número mais provável de coliformes (NMP) é expresso pelo número contido em 100 mL da amostra de água. O teor de coliformes é um indicador eficaz no controle da qualidade do tratamento da água do ponto de vista bacteriológico para prevenir doenças de transmissão hídrica.
Os padrões de potabilidade estão diretamente associadas à qualidade da água fornecida ao consumidor.
No Brasil a portaria Nº 2914, de 12 de dezembro de 2011, dispõe sobre os procedimentos de controle e de vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade.
No Art. 5º do Capítulo II temos as seguintes definições:
I - água para consumo humano: água potável destinada à ingestão, preparação e produção de alimentos e à higiene pessoal, independentemente da sua origem;
II - água potável: água que atenda ao padrão de potabilidade estabelecido nesta Portaria e que não ofereça riscos à saúde;
III - padrão de potabilidade: conjunto de valores permitidos como parâmetro da qualidade da água para consumo humano, conforme definido nesta Portaria;
IV - padrão organoléptico: conjunto de parâmetros caracterizados por provocar estímulos sensoriais que afetam a aceitação para consumo humano, mas que não necessariamente implicam risco à saúde;
No Art. 13º do Capítulo III – Das Competências e Responsabilidade, temos:
Compete ao responsável pelo sistema ou solução alternativa coletiva de abastecimento de água para consumo humano:
I - exercer o controle da qualidade da água;
II - garantir a operação e a manutenção das instalações destinadas ao abastecimento de água potável em conformidade com as normas técnicas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e das demais normas pertinentes;
III - manter e controlar a qualidade da água produzida e distribuída, nos termos desta
Portaria.
Padrão microbiológico estabelecido pela Portaria 2914/11 para água potável 
(Anexo I, II, III, IV, VII e X).
Considerações finais:
• Turbidez máximo de 5,0 NTU
• Cor máxima de 15,0 U.C.
• Flúor máximo de 1,5 mg/L
• 6 < pH < 9,5
• Cloro residual livre mínimo de 0,2 e máximo de 2 mg/L
• Ferro máximo de 2,4 mg/L
• Manganês máximo de 0,4 mg/L
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA (ETA) – ETAPAS
1 – Captação: a água passa por um sistema de grades que impede a entrada de elementos macroscópicos grosseiros (animais mortos, folhas, etc.) no sistema. Parte das partículas está em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução, e por ter dimensões muito reduzidas (como a argila, por exemplo), não se depositam, dificultando a remoção.
2 – Coagulação: muitas impurezas contidas na água são de natureza coloidal, ou seja, ficam dispersas uniformemente, não sofrendo sedimentação pela ação da gravidade. Esse fenômeno pode ser explicado pelo fato das partículas possuírem a mesma carga elétrica, e, portanto, sofrerem repulsão mútua. Isso impede que elas se aproximem e se choquem, formando aglomerados de dimensões maiores que poderiam precipitar naturalmente.
Para resolução do problema, adicionam-se os chamados coagulantes químicos, que neutralizam a carga elétrica das partículas, promovendo a colisão entre elas (formação de aglomerados de impurezas de natureza coloidal). O sulfato de alumínio é um pó de cor branca que, quando em solução, se encontra hidrolisado:
Al2(SO4)3 + 12H2O → 2Al(H2O)63+ + 3SO4-2 ou
Al (SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 → +6H+ + 3SO4-2
O Al(H2O)63+ é um ácido que reage com as bases que se encontram na água. Como essas bases são mais fortes que a água, o complexo sempre reage antes com as bases do que essas bases reagir com as moléculas de água. Com isso acontece um consumo de alcalinidade e abaixamento de pH. Em águas com baixa alcalinidade é necessária à utilização de agentes alcalinizantes simultaneamente ao uso do sulfato de alumínio, de modo a corrigir a alcalinidade e favorecer a ação do coagulante, é o caso da adição de cal.
3 – Floculação: a água é agitada lentamente, para favorecer a união das partículas de sujeira, formando os flocos. Também é expressa pela reação química detalhada acima.
4 – Decantação: a água não é mais agitada e os flocos vão se depositando no fundo, separando-se da água, chegando a ficar por algumas horas, tempo suficiente para que os flocos formados (compostos de lama, argila e microrganismos) se sedimentem, uma vez que apresentam densidade maior que a da água. O lodo gelatinoso do fundo é conduzido para tanques de depuração. O ideal é que ele seja transformado em adubo, em um biodigestor. A água mais limpa vai para o filtro de areia.
5 - Filtração: o filtro utilizado é formado por cascalho/areia/antracito (carvão mineral), nessa etapa, a água é depositada sobre o leito filtrante e atravessa os poros da camada de areia, onde as impurezas ficam retidas. Embora esses poros sejam relativamentegrandes, são capazes de reter a maior parte das partículas suspensas, inclusive alguns microrganismos (bactérias com alguns micrometros de comprimento). Em torno dos grãos de areia forma-se uma película de matéria gelatinosa, geralmente de ordem biológica, que retém as impurezas da água.
6 – Desinfecção: a água filtrada está limpa, mas contém ainda os microrganismos causadores de doenças (patogênicos). A maioria das partículas em suspensão, incluindo as bactérias, fica retida nas etapas de decantação e de filtração; no entanto, sempre resta uma pequena porcentagem de microrganismos patogênicos para serem eliminados. Por isso, há a necessidade da utilização de uma substância desinfectante, em toda a rede de água. Assim, após sofrer filtração e sedimentação, a água é desinfectada, na maioria das vezes, por meio do cloro gasoso. O cloro é adicionado em quantidades calculadas previamente, para que sua concentração final na água seja adequada, mantendo, no entanto, um nível residual que assegure uma desinfecção em situações imprevistas de aumento de concentrações bacteriológicas (mínimo de 0,2 mg/L, segundo a legislação).
Na água, o cloro age de duas formas principais: como desinfetante (destruindo os microorganismos patogênicos, algas e bactérias de vida livre e como oxidante (em compostos orgânicos e inorgânicos presentes)).
Quando o cloro é adicionado a uma água isenta de impurezas, ocorre a seguinte reação:
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Dependendo do pH da água, o ácido hipocloroso (HClO-) se ioniza, formando o íon hipoclorito (ClO–), segundo a reação a seguir:
��
Ambos os compostos possuem ação desinfetante e oxidante; porém, o ácido hipocloroso é mais eficiente do que o íon hipoclorito na destruição dos microrganismos em geral.
A eficiência desse processo é medida pela porcentagem de organismos mortos dentro de um determinado tempo, a uma temperatura e pH definidos. Para tal, as condições que um desinfectante deve ter para sua utilização ser permitida em plantas de purificação são as seguintes:
Deve ser capaz de destruir os microrganismos causadores de enfermidades;
Deve realizar este trabalho a temperatura do lugar e em tempo adequado;
Não deve ser tóxico ou dar sabor desagradável à água;
Sua concentração na água deve ser prontamente determinada;
Deve deixar um efeito residual, para que proteja a água contra posteriores contaminantes;
Deve ser fácil obtenção, baixo custo e simples manejo.
Há outras substâncias de ação desinfectante que também são utilizadas no tratamento da água, porém de modo mais restrito. Entre elas, temos, por exemplo, hipoclorito de sódio (NaClO), permanganato de sódio (NaMnO4), permanganato de potássio (KMnO4), iodo I2) e gás ozônio (O3). Os permanganatos, quando utilizados, são adicionados antes da filtração, a fim de evitar que passem para a rede distribuidora, uma vez que são substâncias altamente tóxicas e irritantes. O iodo é aplicado somente em casos particulares de contaminação, como a provocada por certos protozoários (as amebas, por exemplo). O ozônio é bastante eficiente, mas sua utilização é limitada devido ao alto custo de sua obtenção, que requer grande gasto de energia elétrica.
6 – Fluoretação: a etapa final do tratamento se dá pela adição de compostos fluorados à água. A adição desses compostos serve para diminuir a incidência de cárie dental. Concentrações ótimas de flúor na água potável, geralmente na faixa de 0,8 a 1,2 mg/L, reduzem as cáries dentárias a um mínimo. O excesso de flúor, porém, pode causar a fluorose dental ou mancha nos dentes (concentrações acima de 1,5 mg/L),sem decrescer a incidência de cáries em crianças. Os compostos de flúor empregados na fluoretação são ácido flúor silícico – H2SiF6; fluorsilicato de amônia – (NH4) 2SiF6; fluorsilicato de sódio – Na2SiF6 - e fluoreto de sódio – NaF.
7, 8 – Reservação: a água tratada é armazenada em grandes reservatórios, antes da distribuição. Esses reservatórios sempre são instalados nos locais mais altos das cidades.
9 – Distribuição: a água tratada é distribuída para as residências, comércio e indústria a partir dos reservatórios de água potável.