Sedimentação e filtração

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO DE QUIMÍCA E BIOLOGIA (DAQBI)
SEDIMENTAÇÃO E FILTRAÇÃO 
	Projeto de pesquisa e de extensão universitária apresentado à disciplina de, como Trabalho de Graduação Interdisciplinar, no Curso de Tecnologia em Processos Ambientais na Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Como requisito de obtenção de nota.
CURITIBA
2014
Introdução
Filtração
A remoção de sólidos em suspensão por filtração está baseada no princípio de que um meio poroso pode reter impurezas de dimensões menores do que as dos poros da camada filtrante. Com a gradativa obstrução dos poros do leito filtrante, há aumento na perda de carga no filtro. O fim da operação do filtro dar-se-á quando a completa obstrução proporcionar velocidades de escoamento do líquido em tratamento consideradas muito baixas.
Materiais filtrantes de maior granulometria vão permitir maior penetração de partículas ao longo do perfil do meio filtrante, maior volume de vazios (porosidade) para remoção e armazenamento de partículas suspensas, maiores períodos de operação do filtro e mais fácil limpeza por reversão do fluxo, entretanto devem proporcionar menor eficiência na remoção de, avaliando a influência da granulometria do material. [5]
1.2 Sedimentação (Coagulação/Floculação)
O processo de coagulação/floculação tem por finalidade a remoção de substâncias coloidais, ou seja, material sólido em suspensão (cor) e/ou dissolvido (turbidez).
Cardoso [2] diz que os termos coagulação e floculação são utilizados como sinônimos, uma vez que ambos significam o processo integral de aglomeração das partículas. Sendo a coagulação, o processo através do qual o agente coagulante adicionado à água, reduz as forças que tendem a manter separadas as superfícies em suspensão, e a floculação é a aglomeração dessas partículas por meio de transporte de fluido, formando partículas maiores que possam sedimentar. A coagulação anula as forças de repulsão entre as partículas coloidais, por meio de mecanismos de ligação e adsorção na superfície da partícula coloidal, pela adição de agentes químicos, denominados de eletrólitos [3]. Segundo Di Bernardo e Dantas [4] para que o processo de coagulação seja eficiente, este deve ser realizado por meio de agitação intensa (mistura rápida) para que ocorram interações entre o coagulante e a água (efluente). A floculação das partículas já coaguladas pela ação do eletrólito resulta das várias forças de atração que atuam entre as partículas “neutralizadas” que se agregam umas às outras formando os denominados flocos. A velocidade de formação desses flocos depende, no início da agitação térmica (movimento Browniano) e, ao atingirem um tamanho de cerca de 0,1 mm, depende também da agitação mecânica do meio. Evidentemente, essa agitação mecânica deve ser em nível moderado (mistura lenta), pois, do contrário, poderá provocar a desagregação dos flocos já formados, o que dificultará a sua remoção [3]. O processo de coagulação/floculação com posterior sedimentação propicia a remoção de cor e turbidez do efluente a ser tratado.
2.Ultrafiltração na Recuperação de Efluentes
Os processos com membranas que utilizam o gradiente de pressão como força motriz (microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose inversa) apresentam um grande potencial para a recuperação de efluentes, pois são meios porosos (no caso da osmose inversa até mesmo despreza-se a presença de poros) que atuam como filtros em nível molecular, possibilitando o fracionamento dos compostos que constituem o efluente. A ultrafiltração é um processo intermediário referente ao tamanho dos poros, que retém tipicamente moléculas com massa molar entre 500 Daltons a 500000 Daltons. Incluem-se nessa faixa gorduras, emulsões, proteínas, polímeros, biomoléculas e colóides [1].
O processo de Ultrafiltração pode atuar na recuperação de efluentes da indústria alimentícia para seu reuso e reciclo, com a utilização de uma membrana tubular de polivinilideno- PVDF (HFM 180 – Koch Membrane Systems) com 166 cm2 de área filtrante e corte de 30 - 80 kDa e uma membrana espiral de polieterssulfona (PES), modelo HFM 131 - Koch Membrane Systems, com 2800 cm2 de área e corte de 5 - 8 kDa em efluente produzido pelo enxágüe inicial da linha de produção de pasteurização e envase de laticínios apresentou uma recuperação de proteínas (acima de 96%) para ambas membranas, refletindo também em uma remoção de nitrogênio acima de 97%. Assim O processo de ultrafiltração apresenta uma alternativa promissora para o tratamento de efluentes de laticínios, possibilitando a retirada de nutrientes da corrente descartada, com a possibilidade de concentrá-los para um possível reúso como ingrediente de subprodutos lácteos.Testes com tal finalidade estão ainda em andamento.
3.Filtros Orgânicos no Tratamento de Águas Residuárias 
Para aproveitamento agrícola ou para minimizar os custos do tratamento convencional de águas residuárias ricas em material orgânico em suspensão, tem sido recomendada a utilização de filtros orgânicos [6]
SANTOS et al. (2004) afirmaram que, em estações de tratamento de água e de esgoto, os atributos comumente usados no monitoramento de sistemas de filtração são: a perda de carga nos filtros, o tempo de duração da operação de filtração, a concentração de sólidos suspensos totais (SST) e a turbidez do efluente.
Lo MONACO et al. (2002), ao utilizarem filtros orgânicos no tratamento da água residuária do descascamento/despolpa de frutos do cafeeiro, obtiveram remoções de sólidos totais (ST) de até 65% quando se utilizou meio filtrante constituído por serragem de madeira; no caso de filtro constituído de bagaço de cana-de-açúcar, a remoção foi menor, alcançando eficiência de remoção de 40%. Em ambos os filtros, a remoção foi de 100% dos sólidos sedimentáveis, 75 a 85% do nitrogênio total (N-total) e 50% do fósforo total (P-total). Os mesmos autores reportaram remoções acima de 60% da DBO dessas águas residuárias, utilizando-se de filtros de serragem de madeira. Lo MONACO et al. (2004) afirmaram que a faixa granulométrica correspondente ao maior diâmetro do material foi mais eficiente na remoção da DBO5 e DQO de água residuária da suinocultura, obtendo-se 40 e 80%, respectivamente. No caso de ST, a maior granulometria foi mais eficiente, obtendo-se remoções em torno de 70%. A menor granulometria mostrou-se mais eficiente na remoção de N-total, obtendo-se valores em torno de 50%. Não houve influência da granulometria do material na remoção de P-total, embora se tenha conseguido remoções de até 65%. O sódio e o potássio não foram removidos enquanto mais de 95% o cobre e do zinco foram removidos nos filtros constituídos por material de menor granulometria.
MAGALHÃES et al. (2005), utilizando filtros de serragem de madeira, obtiveram remoções de 90 a 99% dos SSTs presentes em águas residuárias da suinocultura e de 81 a 96% quando foram utilizados filtros de bagaço de cana-de-açúcar.De acordo com esses autores, para que não haja diminuição na eficiência de remoção de SSTe decréscimo muito acentuado na velocidade de filtração da água residuária, a compressão dos materiais filtrantes, tais como o bagaço de cana-de-açúcar e a serragem de madeira, no acondicionamento do material nos filtros, deve ser tal que promova redução de 5 a 10% no volume da serragem de madeira e de 10 a 15% no caso do bagaço de cana-de-açúcar. Compressões semelhantes foram recomendadas por MATOS et al. (2006) para serem exercidas em pergaminho triturado de grãos de café, a fim de se obterem satisfatórias remoções de sólidos em suspensão de águas residuárias do descascamento/despolpa dos frutos do cafeeiro.
4.Filtração Lenta em Areia 
Os patógenos do gênero Cryptosporidium são responsáveis pela veiculação da doença criptosporidiose, a filtração lenta em areia pode remover um percentual médio, bastante elevada para os oocistos de Cryptosporidium sp (99,988-99,998%) e integral para os cistosde Giardia spp. Com filtros lentos em areia, com sentido de escoamento descendente e escoamento ascendente,operadas com taxa de filtração igual a 6 m3/m2.dia. Cada filtro era constituído de dois tubos flangeados de acrílico superpostos,de 0,20 m de diâmetro e 1,50 m de altura.Na parte inferior de cada filtro foi fixada uma placa perfurada para sustentação dos leitos granulares, localizada a 0,10 m da base[7].
O leito filtrante de ambos os filtros foi constituído por areia, com espessura de 0,75 m, tamanho efetivo de 0,25 mm coeficiente de uniformidade de 2,40, diâmetro mínimo de 0,084 mm e diâmetro
máximo de 1,00 mm. A camada suporte constituiu-se de três camadas de seixos rolados, de granulometria variando entre 1,20 e 19,10 mm. A água sintética, foi captada água da rede pública, que foi posteriormente desclorada por filtros de carvão ativado e nela acrescentados:
• bentonita, para geração de turbidez;
• efusão de erva mate, para produção de cor verdadeira;
• ácido sulfúrico 1N para correçãode pH;
• alíquota de esgoto, que forneceu os microrganismos analisados (coliformestotais, Escherichia coli, esporos de bactérias anaeróbias e Clostridium perfringens, esporos de bactérias aeróbias e Bacillus subtilis, cistos de Giardia);
• oocistos de Cryptosporidium, produzidos em um bezerro neonato.
Os esporos de bactérias anaeróbias e Clostridium perfringens foram os parâmetros que apresentaram os percentuais de remoções mais semelhantes aos dos protozoários. Coliformes totais, turbidez e E.coli apresentaram percentuais um pouco menores e similares. Os esporos de bactérias aeróbias juntamente com B.subtilis não foram removidos nos filtros lentos, excetuando o caso do filtro descendente que removeu 93,750% de B. subtilis.
5.Coagulação/Floculação para Remoção de Cor e Turbidez em Efluente
Geralmente a primeira etapa do tratamento de efluentes contendo metais pesados é a coagulação química a qual, provavelmente, influencia significativamente as etapas de tratamento subsequentes. Dada a importância deste processo de separação é fundamental estudos do comportamento dos agentes coagulantes nesta etapa. Existem vários tipos de coagulantes de origem química e vegetal. Os principais coagulantes químicos utilizados são :sulfato de alumínio, cloreto férrico, hidroxicloreto de alumínio e sulfato férrico [10]. Alguns de origem vegetal estão sendo investigados mais intensamente
Que outros, como é o caso da Moringa oleifera Lam[11] e da Quitosana [12]
Segundo o artigo: Avaliação da Eficiência de Diferentes Agente Coagulantes na remoção de cor e Turbidez em Efluente de Galvanoplastia, que avaliou os seguintes coagulantes: Inorgânicos (Cloreto férrico e Sulfato de alumínio) e Orgânicos (quitosana e sementes de moringa, Tanfloc SG e Acquapol C1), de e águas de lavagem proveniente de tratamentos de superfícies como: estanhagem, niquelagem, cromagem e cobreação. Nos testes foram realizados ensaios de coagulação/floculação num equipamento Jar-Test Microcontrolado marca Milan, Modelo JT – 103 para avaliar a eficiência de cada coagulante.
Em cada cuba do Jar-Test foram adicionados 1,2 L do efluente de galvanoplastia variando as concentrações de cada coagulante, conforme apresentado na Tabela 1. As velocidades de mistura rápida (VMR) e lenta (VML) empregadas foram 120 rpm e 20 rpm, respectivamente. Os tempos de mistura rápida (TMR) e lenta (TML) foram 1,5 min e 15 min, respectivamente [9,14,24,25]. Os ensaios foram realizados no pH da solução efluente na temperatura ambiente.
Os resultados do teste de precipitação demonstraram que após o ajuste do pH inicial do efluente (6,45) para 7,00 houve a formação de precipitado. O pH é um parâmetro importante no processo de coagulação/floculação uma vez que cada coagulante tem uma faixa ótima de operação.Em pH superior ao do efluente a remoção da cor ocorre também devido a precipitação, como o foco deste trabalho é avaliar o processo de coagulação/floculação optou-se em trabalhar no pH do efluente bruto. Além disso, o valor de pH do efluente se enquadra na faixa de operação requerida para cada coagulante estudado [14,17,21,22,26].
Para o coagulante inorgânico sulfato de alumínio (Figura 2), os maiores valores na remoção de cor (98,13%) e turbidez (98,78%) foram obtidos empregando a concentração de 40 ppm no tempo de sedimentação de 20 min.
Utilizando o coagulante inorgânico cloreto férrico, observa-se que a maior remoção de cor e turbidez ocorreu no tempo de sedimentação de 50 min, sendo de 31,57% e 95,27%, respectivamente, na concentração de 40 ppm. Quando o cloreto férrico é adicionado em excesso ao meio, parte não participa da reação de coagulação/floculação, ficando este em solução há o aumento dos valores dos parâmetros cor e turbidez. Segundo Branco [29], a presença de ferro pode propiciar uma coloração amarelada e turva à água dependendo dos níveis de concentração.
 O coagulante Orgânico quitosana apresenta a maior eficiência de remoção de cor (99,44%) e turbidez (99,79%) para a concentração de 5 ppm e tempo de sedimentação de 50 min. 
As sementes de Moringa oleifera Lam em diferentes concentrações máxima remoção dos parâmetros cor e turbidez, em termos de minimização de custos, foram de 90,30% e 92,90%, respectivamente, para concentração de 200 ppm e tempo de sedimentação de 20 min.
O coagulante comercial vegetal Tanfloc SG (Tanac) a melhor condição para a remoção de cor (96,77%) e turbidez (99,38%) na concentração de 400 ppm, no tempo de 50 min de sedimentação. Utilizando o tempo de sedimentação de 40 min não houve uma grande variação na remoção de cor (95,90%) e turbidez (99,13%).
Para o ultimo coagulante estudado no artigo Acquapol C1, como a remoção de cor e turbidez na concentração de 100 ppm foi semelhante em todos os tempos de sedimentação analisados, o tempo de sedimentação de 20 min é mais atrativo em termos de redução de custos, removendo 96,69% de cor e 98,72% de turbidez. Observa-se também que acima da concentração de 100 ppm há uma diminuição na remoção de cor e turbidez, provavelmente, em virtude do coagulante estar fora da faixa de atuação.
6.Referências 
[1] Peppin & Elliot, 2001
[2] C. K. Cardoso, Dissertação de Mestrado,Universidade Estadual de Maringá – PR (2007).
[3]CPRH, Companhia Pernambucana do Meio Ambiente, Roteiro Complementar de Licenciamento e Fiscalização: Tipologia Galvanoplastia. Recife – PE (2001).
[4]L. Di Bernardo, A. D. B. Dantas, Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. 2ª ed., v. 1. São Carlos: Rima. (2005).
[5] ANTONIO T.M; MARCOS A. M ; ANTOVER P. S; Perda de Carga em Filtros Orgânicos Utilizados no Tratamento de Água Residuária de Siunocultura v.30, n.3, p.527-537, 2010.
[6] (MATOS et al., 2006).
[7] LÉO H; MARIA B. C. M. V; LUDMILA L. A. B. DANIELLA P. S; Desempenho da Filtração Lenta em Areia Submetida a Cargas de Pico de Oocistos de Cryptosporidium sp , Bactérias e Sólidos : Uma Avaliação em Instalação Piloto
[8] G. Pavanelli, Tese de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos – SP (2001).
[9] F. J. A. Da Silva, L. M. M. Souza, S. L. Magalhães, XXII Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Joinvile – SC (2003).
[10] L. C. J. Moraes, R. Bergamasco, C. R. G. Tavares, R. M. Ribeiro, XXIII Congresso Brasileiro de Engenharia e Sanitária Ambiental, Campo Grande – MS (2005).
[11] LUIZ G. L. V; MÁRCIA R. F. K ;MÁRCIA T.V;EDSON A. S; TATTIANY A. B; ROSANGELA B. Avaliação Da Eficiência de Diferentes Agentes Coagulantes na Remoção de Cor e Turbidez em Efluentes da Galvanoplastia Ecl. Quím., São Paulo, 35 - 4: 45 - 54, 2010
	
 conforme apresentado no Artigo: Ultrafiltração como processo de tratamento para o reuso de efluentes de laticínios descrito a seguir.
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