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Trabalho Final de Mestrado em Engenharia Ambiental
Modalidade: Dissertação
ANÁLISE COMPARATIVA DOS PROCESSOS DE FILTRAÇÃO
EM MEMBRANAS E CLARIFICAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA PARA
REUSO DE ÁGUA NA INDÚSTRIA
Autora: Luciana Paula Lobo
Orientadora: Thereza Christina de Almeida Rosso
Co-orientador: Gandhi Giordano
Centro de Tecnologia e Ciências
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Sanitária e do Meio Ambiente
Dezembro de 2004
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ANÁLISE COMPARATIVA DOS PROCESSOS DE FILTRAÇÃO
EM MEMBRANAS E CLARIFICAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA PARA
REUSO DE ÁGUA NA INDÚSTRIA
Luciana Paula Lobo
Trabalho Final submetido ao Programa de Pós-
graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade do Estado do Rio de Janeiro –
UERJ, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Mestre em Engenharia
Ambiental – Controle da Poluição Urbana e
Industrial.
Aprovada por:
______________________________________________
Prof
a
. Thereza Christina de Almeida Rosso, D. Sc. -
Presidente
PEAMB/UERJ
______________________________________________
Prof. Gandhi Giordano, D. Sc.
PEAMB/UERJ
______________________________________________
Liane Elizabeth Caldeira Lage, D. Sc.
INPI/MDIC
______________________________________________
Profa. Juacyara Carbonelli Campos, D. Sc.
EQ/UFRJ
Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Dezembro de 2004
ii
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LOBO PAULA, LUCIANA
Análise Comparativa dos Processos de
Filtração em Membranas e Clarificação
Físico-Química para Reuso de Água na
Indústria. [Rio de Janeiro] 2004.
xxii, 103 p. 29,7 cm (FEN/UERJ,
Mestrado, Programa de Pós-graduação em
Engenharia Ambiental - Área de
Concentração: Saneamento Ambiental -
Controle da Poluição Urbana e Industrial,
2004.)
Dissertação - Universidade do Estado do
Rio de Janeiro - UERJ
1. Reuso de água
2. Torres de resfriamento
3. Ultrafiltração
4. Clarificação
I. FEN/UERJ II. Título (série)
iii
Resumo do Trabalho Final apresentado ao PEAMB/UERJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Ambiental.
ANÁLISE COMPARATIVA DOS PROCESSOS DE FILTRAÇÃO EM
MEMBRANAS E CLARIFICAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA PARA REUSO DE ÁGUA
NA INDÚSTRIA
Luciana Paula Lobo
Dezembro de 2004
Orientadora: Thereza Christina de Almeida Rosso
Co-orientador: Gandhi Giordano
Área de Concentração: Saneamento Ambiental - Controle da Poluição Urbana e
Industrial
No cenário atual de escassez de água vários setores principalmente as indústrias vêm
atuando de forma pró-ativa, buscando alternativas e formas de modificar o
gerenciamento da água em seus processos. A indústria além dos incrementos nos
custos de produção a partir da cobrança pelo uso da água, não tem uso prioritário
segundo a política nacional de recursos hídricos. Tendo em vista a competitividade
atual, o reuso de água se tornou uma questão de sobrevivência gerando maior
autonomia, otimizando consumo e minimizando custos. A proposta deste trabalho foi
comparar duas técnicas de tratamento terciário de efluentes a partir de um efluente
conhecido proveniente de uma indústria farmacêutica para fins de reuso em torres de
resfriamento. Foram realizados ensaios em equipamento Jar Test a fim de simular a
clarificação físico-química e, no caso das membranas, optou-se por utilizar o sistema
de ultrafiltração em escala real já implantado na indústria farmacêutica em questão.
Em função dos resultados experimentais obtidos, verificou-se que o tratamento com
membranas gera um efluente de melhor qualidade e oferece maior confiabilidade. A
clarificação mostrou-se como uma técnica capaz de absorver variações de carga, mas
de difícil controle no que diz respeito à quantidade de produtos químicos utilizada e
geração de lodo.
Palavras-Chave: Reuso de Água, Torres de Resfriamento, Ultrafiltração, Clarificação.
iv
Abstract of Final Work presented to PEAMB/UERJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Environmental Engineering.
COMPARATIVE ANALYSIS OF EFFLUENT TREATMENT WITH MEMBRANES
AND CLARIFICATION FOR INDUSTRIAL WATER REUSE
Luciana Paula Lobo
December 2004
Advisors: Thereza Christina de Almeida Rosso
Gandhi Giordano
Area: Environmental Sanitation - Urban and Industrial Pollution Control
In the present scenario of water shortage, many organizations, particularly industrial
undertakings are beginning to pay increasing attention towards finding alternative
forms for the management of the water used in their processes. Industry aside from
bearing progressive increments in the cost of water it receives, is not accorded any
priorities in supply in accordance with national policies governing water resources.
In view of the current competition, the technologies for water reuse had become a
question rather of survival, of generating greater autonomy, of optimizing
consumption, and minimizing costs. The objective of this work was to compare two
technologies of tertiary treatment, using a known secondary-treated effluent from a
pharmaceutical industry which was to be recycled as cooling tower make-up. Jar
Tests experiments were carried out in order to obtain clarified water, and the results
were compared with those from an existing ultra filtration plant. The experimental
results showed that membrane treatment produces a better quality effluent and is
more reliable. It was verified that clarification is able to cater for load variations, but
has difficulty in controlling the use of chemical additives and aspects of sludge
generation.
Key words: Water Reuse, Cooling Tower, Ultra filtration, Clarification.
v
À minha família, em especial à minha mãe querida pela incessante ajuda em todos
os momentos, pelo carinho e incentivo.
vi
AGRADECIMENTOS
- À Profª Thereza Rosso pelo auxílio e incentivo na estruturação do trabalho e
apreciação deste texto.
- Ao Prof. Gandhi Giordano, pelo apoio, disponibilidade, e pelos diversos
ensinamentos e idéias transmitidos a cada reunião.
- À Empresa Tecma – Tecnologia em Meio Ambiente Ltda., nas pessoas dos seus
Diretores, Gandhi Giordano e Luiz Carlos O. da Cunha por disponibilizarem
recursos para a realização deste trabalho.
- Aos Engenheiros Carlos Gonzáles e Edson Bravin, pela enorme colaboração na
coleta de amostras e visitas técnicas.
- Aos técnicos do laboratório de Engenharia Sanitária e Ambiental da Uerj, em
especial Cláudia e Ubiratan, pela contribuição decisiva no desenvolvimento das
atividades da parte experimental.
vii
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS............................................................................................................................. IX
LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................................................X
RELAÇÃO DE SIGLAS E ABREVIATURAS .................................................................................XIII
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................1
2. REUSO DE ÁGUA NA INDÚSTRIA...................................................................................................4
2.1 ETAPAS DE UM PROJETO DE REUSO DE ÁGUA NA INDÚSTRIA .............................................................4
2.2 PRINCIPAIS USOS DA ÁGUA E REQUISITOS DE QUALIDADE ................................................................7
2.3 PROJETOS DE REUSO DE ÁGUA EM DIFERENTES SEGMENTOS.............................................................7
2.4 REUSO DE ÁGUA EM TORRES DE RESFRIAMENTO .............................................................................11
2.4.1 Tipos de Torres e suas Características....................................................................................12
2.4.2 Tipos e Características dos Sistemas de Resfriamento............................................................16
2.4.3 Principais Problemas em Torres de Resfriamento ..................................................................19
2.4.4 Balanço Mássico no Sistema Aberto com Recirculação..........................................................25
2.4.5 Padrão de Qualidade da Água de Resfriamento......................................................................28
3. CARACTERÍSTICAS E PROCESSOS DE TRATAMENTOS DE EFLUENTES INDUSTRIAIS
....................................................................................................................................................................31
3.1 TÉCNICAS DE TRATAMENTO DE EFLUENTES.....................................................................................34
3.1.1 Tratamento Primário...............................................................................................................34
3.1.2 Tratamento Secundário ou Biológico ......................................................................................41
3.1.3 Tratamento Terciário...............................................................................................................44
3.2 AVALIAÇÃO DAS ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS NOS PROGRAMAS DE REUSO...............................60
4. METODOLOGIA ................................................................................................................................63
4.1 DESCRIÇÃO DA PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................................65
4.1.1. Tratamento Físico-Químico – Jar Test...................................................................................66
4.1.2 Tratamento com Membranas de Ultrafiltração.......................................................................70
RESULTADOS E DISCUSSÃO..............................................................................................................72
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ..............................................................................................82
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................84
ANEXOS...................................................................................................................................................90
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Etapas do projeto de reuso de água na indústria............................................ 4
Tabela 2.2: Correspondência entre o IR e a tendência à incrustação ou à agressividade21
Tabela 2.3: Perdas por respingos em torres.................................................................... 26
Tabela 2.4: Parâmetros de controle X Impactos prováveis em sistemas de resfriamento
................................................................................................................................28
Tabela 2.5: Qualidade de água de reposição ou makeup para uso em sistemas de
resfriamento com circuitos semi-abertos, com recirculação de água
..................... 29
Tabela 3.1: Processos de tratamento de efluentes líquidos conforme a classificação por
níveis
....................................................................................................................... 34
Tabela 3.2: Coagulantes e faixas de pH em que são utilizados...................................... 37
Tabela 3.3: Vantagens e Desvantagens da Coagulação e Floculação Química.............. 38
Tabela 3.4: Tipos de Sedimentação e Área de Aplicação.............................................. 39
Tabela 3.5: Principais processos biológicos para o tratamento de efluentes.................. 42
Tabela 3.6 : Relação entre porosidade de membranas, pressão de operação e rendimento
total do processo
..................................................................................................... 55
Tabela 3.7: Variação dos parâmetros de qualidade de acordo com o tipo de membrana
utilizada
.................................................................................................................. 56
Tabela 3.8: Características físicas, químicas e biológicas dos efluentes industriais...... 62
Tabela 4.1: Dosagens dos produtos químicos utilizados na execução do Jar Test........ 67
Tabela 5.1: Resultados das análises do teor de sulfato por tipo de tratamento .............. 74
Tabela 5.2: Análises complementares por tipo tratamento............................................. 75
Tabela 5.3: Resultados das análises de sólidos dissolvidos totais por tipo de tratamento
................................................................................................................................76
Tabela 5.4: Resultados das análises de turbidez por tipo de tratamento ........................ 77
Tabela 5.5: Resultados das análises de sólidos suspensos totais (SST) ......................... 78
Tabela 5.6: Resultados das análises da cor por tipo de tratamento ................................ 78
Tabela 5.7: Dosagem de produtos químicos X Volume de lodo gerado........................ 79
Tabela 5.8: Variação da quantidade de sólidos em suspensão antes e após 1 hora de
sedimentação em Cone Imhoff
............................................................................... 81
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Fatores relacionados ao consumo de água na indústria ................................. 5
Figura 2.2: Distribuição do Consumo de Água em Indústria de Celulose e Papel .......... 6
Figura 2.3: Distribuição do Consumo de Água em Refinarias......................................... 6
Figura 2.4: Distribuição do Consumo de Água em Indústria de Laticínios..................... 6
Figura 2.5: Sistema Piloto de Reuso de Água do Jardim Zoológico - RJ........................ 8
Figura 2.6: Detalhe do sistema piloto de ultrafiltração .................................................... 8
Figura 2.7: Detalhe do armazenamento de água recuperada do sistema piloto................ 9
Figura 2.8: Fluxograma do Processo de Tratamento de Efluentes incluindo Reuso...... 10
Figura 2.9: Fluxograma da Estação de Tratamento de Águas Residuárias em Indústria
Têxtil
....................................................................................................................... 11
Figura 2.10: Torre de resfriamento de tiragem natural................................................... 13
Figura 2.11: Torre de tiragem mecânica forçada............................................................ 14
Fonte: AZEVEDO
Figura 2.1: Fatores relacionados ao consumo de água na indústria ................................. 5
Figura 2.2: Distribuição do Consumo de Água em Indústria de Celulose e Papel .......... 6
Figura 2.3: Distribuição do Consumo de Água em Refinarias......................................... 6
Figura 2.4: Distribuição do Consumo de Água em Indústria de Laticínios..................... 6
Figura 2.5: Sistema Piloto de Reuso de Água do Jardim Zoológico - RJ........................ 8
Figura 2.6: Detalhe do sistema piloto de ultrafiltração .................................................... 8
Figura 2.7: Detalhe do armazenamento de água recuperada do sistema piloto................ 9
Figura 2.8: Fluxograma do Processo de Tratamento de Efluentes incluindo Reuso...... 10
Figura 2.9: Fluxograma da Estação de Tratamento de Águas Residuárias em Indústria
Têxtil
....................................................................................................................... 11
Figura 2.10: Torre de resfriamento de tiragem natural................................................... 13
Figura 2.11: Torre de tiragem mecânica forçada............................................................ 14
Fonte: AZEVEDO et al, 1999. ....................................................................................... 14
Figura 2.12a: Torre com tiragem mecânica induzida em corrente cruzada.................... 15
Figura 2.12b: Torre com tiragem mecânica induzida em corrente cruzada................... 15
Figura 2.13a: Torre com tiragem mecânica induzida em contracorrente....................... 16
Figura 2.13b: Torre com tiragem mecânica induzida em contracorrente....................... 16
Figura 2.14: Sistema aberto sem recirculação................................................................ 17
Figura 2.15: Sistema aberto com recirculação................................................................ 18
Figura 2.16: Sistema fechado......................................................................................... 19
Figura 2.17: Tubo com incrustação................................................................................ 22
Figura 2.18: Depósitos de óxido de ferro devido à água contendo bicarbonato de ferro24
Figura 2.19: Balanço Mássico no Sistema Aberto com Recirculação............................ 25
Figura 2.20: Ciclo de concentração x economia de água de alimentação (make-up...... 28
Figura 3.1: Remoção de poluentes por nível de tratamento........................................... 33
Figura 3.2 Configuração esquemática da dupla camada elétrica.................................... 36
Figura 3.3: Desenho esquemático do funcionamento das membranas........................... 44
Figura 3.4: Comparação esquemática entre Filtração Convencional (“Dead End
Filtration”) e a Filtração em Fluxo Cruzado (“Cross Flow Filtration”)
................. 45
Figura 3.5: O Fenômeno de Polarização de Concentração............................................. 47
Figura 3.6: Módulo Placa-e-Quadro (detalhe da disposição à esquerda)....................... 49
Figura 3.7: Esquema do Módulo Espiral de Membranas de Ultrafiltração.................... 50
x
Figura 3.8 : O espectro da filtração................................................................................ 51
Figura 3.9 Características dos processos que Utilizam Diferença de Pressão como Força
Motriz
..................................................................................................................... 53
Figura 3.10: Medida de seletividade em processos com membranas............................. 54
Figura 3.11: Variação do fluxo permeado com o tempo de operação ocasionada por
Polarização de Concentração e “Fouling”. Operação em Fluxo Cruzado
.............. 57
Figura 3.12: Recuperação parcial de fluxo permeado usando a técnica de operação com
retrolavagem (“Backflushing”).
.............................................................................. 59
Figura 4.1: Processo de Tratamento de Efluentes de Indústria Farmacêutica................ 64
Figura 4.2: Fluxograma da metodologia proposta.......................................................... 65
Figura 4.3: Foto esquemática do experimento ............................................................... 67
Figura 4.4: Equipamento Estático (Jar Test) com amostra............................................ 68
Figura 4.5: Lay-out do Sistema de Reuso de Água em Indústria Farmacêutica ............ 70
Figura 4.6a: Sistema de Reuso de Água – Ultrafiltração ............................................... 71
Figura 4.6b: Sistema de Reuso de Água – Membranas de Ultrafiltração....................... 71
Figura 5.1: Comparação entre efluente do decantador e permeado da membrana de
ultrafiltração
........................................................................................................... 72
Figura 5.2: Comparação entre efluente do decantador e efluente após o Jar Test ......... 72
Figura 5.3: Comparação entre efluente após o Jar Test e permeado da ultrafiltração.... 73
Figura 5.5: Comparação entre os volumes de coagulante utilizado e lodo gerado após o
Jar Test
................................................................................................................... 79
Figura 5.6: Quantificação do lodo – Cone Imhoff no início do experimento ................ 80
Figura 5.7: Quantificação do lodo – Cone Imhoff no final do experimento (após 1 h).80
et al, 1999. ...................................................................................................................... 14
Figura 2.12a: Torre com tiragem mecânica induzida em corrente cruzada.................... 15
Figura 2.12b: Torre com tiragem mecânica induzida em corrente cruzada................... 15
Figura 2.13a: Torre com tiragem mecânica induzida em contracorrente....................... 16
Figura 2.13b: Torre com tiragem mecânica induzida em contracorrente....................... 16
Figura 2.14: Sistema aberto sem recirculação................................................................ 17
Figura 2.15: Sistema aberto com recirculação................................................................ 18
Figura 2.16: Sistema fechado......................................................................................... 19
Figura 2.17: Tubo com incrustação................................................................................ 22
Figura 2.18: Depósitos de óxido de ferro devido à água contendo bicarbonato de ferro24
Figura 2.19: Balanço Mássico no Sistema Aberto com Recirculação............................ 25
Figura 2.20: Ciclo de concentração x economia de água de alimentação (make-up...... 28
Figura 3.1: Remoção de poluentes por nível de tratamento........................................... 33
Figura 3.2 Configuração esquemática da dupla camada elétrica.................................... 36
Figura 3.3: Desenho esquemático do funcionamento das membranas........................... 44
Figura 3.4: Comparação esquemática entre Filtração Convencional (“Dead End
Filtration”) e a Filtração em Fluxo Cruzado (“Cross Flow Filtration”)
................. 45
Figura 3.5: O Fenômeno de Polarização de Concentração............................................. 47
Figura 3.6: Módulo Placa-e-Quadro (detalhe da disposição à esquerda)....................... 49
Figura 3.7: Esquema do Módulo Espiral de Membranas de Ultrafiltração.................... 50
Figura 3.8 : O espectro da filtração................................................................................ 51
Figura 3.9 Características dos processos que Utilizam Diferença de Pressão como Força
Motriz
..................................................................................................................... 53
Figura 3.10: Medida de seletividade em processos com membranas............................. 54
Figura 3.11: Variação do fluxo permeado com o tempo de operação ocasionada por
Polarização de Concentração e “Fouling”. Operação em Fluxo Cruzado
.............. 57
xi
Figura 3.12: Recuperação parcial de fluxo permeado usando a técnica de operação com
retrolavagem (“Backflushing”).
.............................................................................. 59
Figura 4.1: Processo de Tratamento de Efluentes de Indústria Farmacêutica................ 64
Figura 4.2: Fluxograma da metodologia proposta.......................................................... 65
Figura 4.3: Foto esquemática do experimento ............................................................... 67
Figura 4.4: Equipamento Estático (Jar Test) com amostra............................................ 68
Figura 4.5: Lay-out do Sistema de Reuso de Água em Indústria Farmacêutica ............ 70
Figura 4.6a: Sistema de Reuso de Água – Ultrafiltração ............................................... 71
Figura 4.6b: Sistema de Reuso de Água – Membranas de Ultrafiltração....................... 71
Figura 5.1: Comparação entre efluente do decantador e permeado da membrana de
ultrafiltração
........................................................................................................... 72
Figura 5.2: Comparação entre efluente do decantador e efluente após o Jar Test ......... 72
Figura 5.3: Comparação entre efluente após o Jar Test e permeado da ultrafiltração.... 73
Figura 5.5: Comparação entre os volumes de coagulante utilizado e lodo gerado após o
Jar Test
................................................................................................................... 79
Figura 5.6: Quantificação do lodo – Cone Imhoff no início do experimento ................ 80
Figura 5.7: Quantificação do lodo – Cone Imhoff no final do experimento (após 1 h).80
xii
RELAÇÃO DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ASTM - American Standards of Testing and Materials.
AT – Alcalinidade Total
AWWA - American Water Works Association.
DBO - Demanda Bioquímica de Oxigênio.
DQO - Demanda Química de Oxigênio.
ETE - Estação de Tratamento de Efluentes.
IL - Índice de Langelier
IP - Índice de Estabilidade de Puckorius.
IR - Índice de Estabilidade de Ryznar.
ISL - Índice de Saturação de Langelier.
IVL - Índice Volumétrico de Lodo
PNRH – Política Nacional de Recursos Hídricos
STD - Sólidos Totais Dissolvidos.
STS - Sólidos Totais Suspensos.
TECMA – Tecnologia em Meio Ambiente Ltda.
UV - Ultravioleta.
UF – Ultrafiltração
xiii
1. INTRODUÇÃO
Atualmente a escassez de água vem sendo amplamente discutida em vários setores mas
é o setor industrial que vem atuando de forma pró-ativa, buscando alternativas e modificando
o gerenciamento da água em seus processos.
A situação legislativa no Brasil para fixação de princípios e critérios à reutilização da
água é insipiente. As ações têm-se orientado por critérios de outros países e/ou pela
Organização Mundial da Saúde (OMS). Não obstante, no Brasil, a Lei nº 9.433/97 consagra a
água como um bem social, porém, com características de bem econômico, instituindo a
cobrança pelo seu uso como um dos instrumentos para a gestão dos recursos hídricos.
No instrumento de cobrança pelo uso da água, implantado com o objetivo de garantir
água na quantidade e qualidade para atual e futuras gerações, o usuário que reutiliza suas
águas reduz as vazões de captação e lançamento e conseqüentemente tem sua cobrança
reduzida. Dependendo das vazões utilizadas, o montante de recursos economizados com a
redução da cobrança em função do reuso pode cobrir os custos de instalação de um sistema de
reuso de água na unidade industrial.
Outro aspecto importante dessa política é o fato de que em situações de escassez, o uso
prioritário dos recursos hídricos é o consumo humano e a dessedentação de animais. Desta
forma, as novas alternativas e soluções tecnológicas para reuso de água se tornaram não
apenas uma forma de crescimento, mas uma questão de sobrevivência à medida que
promovem a autonomia e a racionalização do consumo.
Como o país não possui nenhuma legislação específica para reuso de água, o Conselho
Nacional do Meio Ambiente está preparando a primeira resolução brasileira para a
regulamentação de cinco tipos de reuso: agrícola, industrial, usos urbanos não potáveis,
aquicultura e recarga de aquíferos.
É importante ressaltar o surgimento de garantias em relação à questão ambiental, ou
seja, no momento em que há valorização do efluente e comprometimento da alta gerência,
reduz-se o número de fiscalizações por parte das agências ambientais. A indústria é a maior
interessada em ter esse controle, garantir a manutenção de bons índices de consumo, o
perfeito desempenho e monitoramento dos sistemas, equipamentos e processos ao longo do
tempo, contribuindo para a redução e manutenção dos custos.
1
O aumento da competitividade no setor exige a implantação de medidas para a
otimização do consumo e redução de perdas e desperdícios, além de programas de
conscientização e treinamento.
Ações desta natureza também têm reflexos diretos e potenciais na imagem das
empresas, demonstrando a crescente conscientização do setor com relação à preservação
ambiental e responsabilidade social.
As tecnologias para reuso de efluentes disponíveis precisam ser avaliadas
cuidadosamente e selecionadas de acordo com as peculiaridades de cada projeto. Cada setor
produtivo gera um determinado tipo de efluente para ser tratado e, conseqüentemente,
diferentes tipos de contaminantes, os quais requerem métodos de tratamento específicos.
Os custos envolvidos, as dificuldades de projeto, a área disponível, a segurança do
processo operacional e a confiabilidade devem fazer parte do check-list dos projetos de reuso.
A utilização de sistemas piloto também são essenciais na tomada de decisão e, nesta etapa,
vários tipos de filtros, membranas e outros sistemas devem ser testados.
Em relação aos processos avançados de tratamento de efluentes visando o reuso, há no
mercado atual duas correntes tecnológicas. A primeira delas preconiza o uso da filtração em
membranas e a outra defende o processo de clarificação físico-química. A lógica da
implementação de um sistema de reuso é justamente procurar compreender quais são as reais
necessidades não apenas no que diz respeito à vazão de água, mas principalmente no que diz
respeito à qualidade requerida em cada ponto de consumo.
O presente estudo foi direcionado para o segmento responsável pelo maior consumo de
água na maioria dos ramos industriais: as torres de resfriamento. As características da água de
reuso e o comportamento desta água para essa aplicação foram amplamente discutidos
conforme padrões estabelecidos para o mercado brasileiro.
O objetivo principal desta dissertação é comparar as alternativas de polimento,
contribuindo para o levantamento dos aspectos mais significativos em cada processo
incluindo os parâmetros de qualidade da água e a relação destes com o desempenho dos
sistemas.
Foram coletadas amostras de efluentes provenientes de uma indústria farmacêutica que
já os reutilizava após tratamento com membranas de ultrafiltração. Tais amostras foram
2
coletadas em dois locais distintos: na saída do decantador secundário e na saída da
ultrafiltração. O tratamento físico-químico foi simulado através de ensaios no equipamento
Jar Test e a qualidade do efluente final foi comparada com a qualidade do efluente do
permeado da ultrafiltração. Concentrações variáveis de coagulante químico foram utilizadas e
a sedimentabilidade e outros aspectos do lodo gerado foram avaliados através de testes
convencionais e bastante difundidos.
3
2. REUSO DE ÁGUA NA INDÚSTRIA
2.1 Etapas de um Projeto de Reuso de Água na Indústria
As exigências cada vez mais restritivas na legislação ambiental, os custos associados
aos processos de tratamento de efluentes, a atual cobrança pelo uso da água, a disponibilidade
hídrica limitada e de má qualidade em conjunto com a busca pela auto-suficiência estão
promovendo em escala crescente o surgimento de projetos de reuso de água na indústria.
O uso eficiente da água, abrangendo a componente de reuso, conduz ao alcance de
outros objetivos intangíveis, tais como, a melhoria da imagem da indústria através da
otimização dos recursos com a redução dos impactos ambientais negativos contribuindo,
assim, para a sustentabilidade de uma atividade.
A implantação de um sistema de reuso deve contemplar diversas etapas a fim de que
haja reciprocidade entre os benefícios ambientais e econômicos, como mostra a tabela 2.1.
Desta forma, o controle ambiental na indústria poderá deixar de representar um custo pesado
para transformar-se numa aplicação lucrativa de recursos.
Tabela 2.1: Etapas do projeto de reuso de água na indústria
ETAPAS DE UM PROJETO DE REUSO DE ÁGUA NA INDÚSTRIA
1. Definição dos principais usos de água na planta industrial e requisitos de qualidade.
2. Otimização das instalações existentes e a racionalização do uso de água.
3. Balanço de massa com a caracterização de todos os pontos de geração de efluentes de
cada unidade do processo industrial.
4. Caracterização dos efluentes e avaliação da confiabilidade da estação de tratamento de
efluentes.
5. Avaliação dos locais potenciais para reuso, ensaios de tratabilidade e legislação
vigente.
6. Tratamento adicionais necessários e estudo de modificações na ETE.
7. Análise da viabilidade técnica e econômica das rotas tecnológicas para reutilização e
reciclagem de efluentes.
4
A estratégia ótima para o desenvolvimento desses projetos deve conter obrigatoriamente
uma análise da distribuição do consumo de água na indústria e da qualidade necessária para a
água de acordo com o uso (BRAVO, 2003).
O consumo de água na indústria varia com diversos fatores conforme mostra a figura
2.1. O clima da região pode influenciar o consumo pois em regiões frias a quantidade de água
utilizada em processos de resfriamento será menor nas indústrias desta região. A tecnologia
empregada também influi no consumo. Quanto mais atualizada tecnologicamente, maior a
eficiência do processo e melhor é o aproveitamento dos recursos naturais. Em fábricas antigas
também pode ocorrer um grande desperdício de água devido ao desgaste dos equipamentos,
vazamentos e até perda da produção decorrente de paradas para manutenção das máquinas,
entre outros motivos (MIERZWA, 2002).
CONSUMO DE ÁGUA
Práticas
Operacionais
Método de
Produção
Disponibilidade
Hídrica
Ramo de
Atividade
Clima da região
Idade das
instalações
Capacidade de
Produção
Figura 2.1: Fatores relacionados ao consumo de água na indústria
As figuras 2.2, 2.3 e 2.4 mostram a distribuição do consumo de água em diferentes
ramos industriais.
5
Figura 2.2: Distribuição do Consumo de Água em Indústria de Celulose e Papel
Fonte: Adaptado de VAN DER LEEDEN, TROISE and TODD, 1990.
.
Figura 2.3: Distribuição do Consumo de Água em Refinarias
Fonte: Adaptado de VAN DER LEEDEN, TROISE and TODD, 1990.
Figura 2.4: Distribuição do Consumo de Água em Indústria de Laticínios
Fonte: Adaptado de VAN DER LEEDEN, TROISE and TODD, 1990.
6
2.2 Principais Usos da Água e Requisitos de Qualidade
As formas potenciais de reuso de água na indústria são (MANCUSO et al., 2003):
• Torres de resfriamento, as indústrias desenvolvem junto com o seu processo uma
grande quantidade de calor residual, que deve ser removido ou reduzido. Em função disto
possuem um sistema de refrigeração, que geralmente utiliza a água como meio
refrigerante, que absorve este calor residual do processo para depois cedê-lo a outro meio.
• Lavagem de peças e equipamentos
• Irrigação de áreas verdes
• Lavagem de pisos e veículos
• Processo industrial, principalmente nas indústrias de papel, têxtil, plásticos, curtume,
construção civil e petroquímica.
• Lavagem de gases da chaminé
• Uso sanitário
• Proteção contra incêndios
2.3 Projetos de Reuso de Água em Diferentes Segmentos
Em outubro de 2004 o Jardim Zoológico localizado no Rio de Janeiro implantou um
sistema piloto de reuso de água utilizando membranas de ultrafiltração que foi apresentado em
uma exposição promovida pela Fundação Rio-Zoo e a Secretaria de Meio Ambiente. O
objetivo principal é obter dados para a implantação de um sistema em escala real que será
acoplado à estação de tratamento de efluentes em construção atualmente.
O sistema tratará 600 m3/dia de efluentes e produzirá 400 m3/dia de água recuperada
que será utilizada principalmente para a dessedentação de animais e lavagens de pisos e
tanques. A composição do sistema de tratamento em escala real é: sistema de coleta dos
efluentes; poço-elevatória; caixa de areia; peneira; tanque de equalização; tanque de aeração,
decantador final, filtro de areia, membrana de ultrafiltração e desinfecção. O esquema
completo do sistema piloto implantado pela empresa Tecma – Tecnologia em Meio Ambiente
Ltda. pode ser visto na figura 2.5.
7
Figura 2.5: Sistema Piloto de Reuso de Água do Jardim Zoológico - RJ
Os resultados obtidos nos testes de tratabilidade permitiram definir a qualidade final da
água necessária e os custos de investimento, operação e manutenção.
Nas figuras 2.6 e 2.7 podem ser observados com detalhes o sistema de membranas
de ultrafiltração e o tanque de água recuperada para reuso representado pelo aquário.
Figura 2.6: Detalhe do sistema piloto de ultrafiltração
8
Figura 2.7: Detalhe do armazenamento de água recuperada do sistema piloto
Outro exemplo de reuso de água utilizando membranas de ultrafiltração que pode ser
citado é o caso de uma indústria automobilística localizada em São Paulo. Após levantamento
técnico, foi constatado que dos 100.000 m
3
/dia de água comprada e fornecida pela
concessionária local apenas 30% precisava ser potável. O sistema foi implantado e cerca de
70.000 m
3
/dia deixaram de ser lançados nos corpos receptores.
A figura 2.8 apresenta o fluxograma completo do processo de tratamento que consiste,
basicamente, de uma unidade chamada Sedimat, que trata quimicamente os efluentes
industriais, e outra unidade chamada Biosedimat, que trata biologicamente o esgoto
doméstico, mais os efluentes industriais já pré-tratados no Sedimat. Para produzir água de
reuso foram instalados em seguida filtros de areia e uma unidade de ultrafiltração com
capacidade de 135 m
3
/h que além de atender com segurança e regularidade todos os pontos de
consumo não potáveis, era também um excelente pré-tratamento para sistemas de
desmineralização onde era produzida água de alta qualidade para o processo de pintura.
9
Figura 2.8: Fluxograma do Processo de Tratamento de Efluentes incluindo Reuso
Fonte: CORREA, 2003.
Em outros casos, optou-se por utilizar um tratamento físico-químico para fins de reuso.
Em uma indústria têxtil localizada no Rio de Janeiro o projeto original da estação de
tratamento de efluentes era composto por peneira estática, tanque de equalização, flotação, e
lodos ativados. Após alguns levantamentos técnicos e ensaios de tratabilidade, foi instalada
uma estação compacta de tratamento de águas residuárias conforme figura 2.9. O volume de
água fornecida pela concessionária local diminuiu consideravelmente e a água recuperada não
foi utilizada apenas para tingimentos de cor branca.
10
COAGULAÇÃO
FLOCULAÇÃO
SEDIMENTAÇÃO
FILTRO DE
AREIA
FILTROS DE
CARVÃO
ATIVADO
CLORAÇÃO
Efluente Tratado
Efluente Tratado para Reuso
Figura 2.9: Fluxograma da Estação de Tratamento de Águas Residuárias em Indústria
Têxtil
2.4 Reuso de Água em Torres de Resfriamento
Como foi mostrado nas figuras já citadas, o uso de água em torres de resfriamento
representa um dos maiores consumos de água na indústria e será o objeto deste estudo. Desta
forma, ênfase especial será dada para este tema neste capítulo.
A torre de resfriamento é um equipamento cuja função é rejeitar calor, liberando energia
térmica para a atmosfera através do arrefecimento de uma corrente de água aquecida
11
inicialmente a uma determinada temperatura até uma temperatura menor, através da troca de
calor dessa água com uma corrente de ar. O resfriamento ocorre em uma torre pelos
mecanismos de resfriamento evaporativo e por sensível troca térmica.
Uma parte da água da bacia da torre de resfriamento é bombeada de volta ao processo
para absorver mais calor e da outra é feita uma purga visando reduzir o acúmulo de
contaminantes na água circulante. As torres de resfriamento são responsáveis pelo maior
consumo de água na maioria dos ramos industriais. Este consumo refere-se à reposição das
purgas de água, para manter uma determinada concentração de sais na torre de água de
resfriamento, e das decorrentes da evaporação. A taxa de evaporação é de aproximadamente
1% do fluxo de água passando através da torre para cada 5,5º C reduzidos na temperatura da
água. A perda por arraste ou respingo corresponde a 0,05% a 0,2% da vazão da torre.
2.4.1 Tipos de Torres e suas Características
Há dois modos de se classificar uma torre de resfriamento, conforme o tipo de tiragem
ou conforme as direções dos fluxos de ar e água. Conforme o tipo de tiragem:
a) Tiragem natural;
b) Tiragem mecânica forçada;
c) Tiragem mecânica induzida.
Nas torres de tiragem natural, o ar entra por baixo da torre, troca calor com a água e
sobe devido à diminuição da sua densidade. Isto acarreta uma zona de baixa pressão que
promove a entrada de mais ar frio na parte inferior da torre, conforme ilustrado na figura
2.10. A estrutura hiperbólica da torre auxilia a tiragem de ar quente. A movimentação do ar é
proporcionada pela diferença de densidades do ar úmido no interior da torre e do ar ambiente.
Como este efeito é menos acentuado em regiões onde a temperatura ambiente é mais elevada,
as torres de tiragem natural são raramente utilizadas no Brasil (CASETTA & MANSUR,
2004).
12
ÁGUA QUENTE
ELIMINADOR DE
RESPINGOS
ENTRADA DE AR
ENCHIMENTO
BACIA DE ÁGUA
FRIA
Figura 2.10: Torre de resfriamento de tiragem natural.
Fonte: AZEVEDO et al, 1999.
Ao contrário das torres com tiragem natural, que são utilizadas para grandes capacidades
e em clima frio, principalmente na Europa, as torres de resfriamento com tiragem mecânica
são largamente utilizadas no Brasil e possuem ventiladores para promover o fluxo de ar. Nas
torres de tiragem mecânica forçada, os ventiladores são instalados na entrada de ar da torre
(parte inferior) e nas torres de tiragem mecânica induzida os ventiladores ficam na saída de ar
da torre, conforme ilustrado na figura 2.11.
13
ÁGUA QUENTE
ELIMINADOR DE
RESPI NGOS
ENTRADA DE AR
ENCHIMENTO
BACIA DE ÁGUA
FRIA
Figura 2.11: Torre de tiragem mecânica forçada.
Fonte: AZEVEDO et al, 1999.
As torres também são classificadas de acordo com as direções dos fluxos de ar e água,
em:
a) Torres de tiragem induzida corrente cruzada.
b) Torres de tiragem induzida contra-corrente;
Nas torres de tiragem mecânica induzida em corrente cruzada, a água cai verticalmente
através do enchimento e é resfriada pelo ar em trajetória horizontal, ilustrada nas figuras
2.12a e 2.12b. A distribuição de água quente é efetuada no topo, por meio de pequenos
tanques com vários furos no fundo.
Nas torres de tiragem mecânica induzida contra-corrente, a água cai através do
enchimento num percurso vertical e o ar usado para resfriamento sobe na torre no sentido
oposto. Na saída do ar existe um eliminador de respingos, que visa diminuir o arraste de água,
conforme figuras 2.13a e 2.13b.
14
Figura 2.12a: Torre com tiragem mecânica induzida em corrente cruzada
Fonte: CASETTA & MANSUR, 2004.
Figura 2.12b: Torre com tiragem mecânica induzida em corrente cruzada
Fonte: CASETTA & MANSUR, 2004.
15
Figura 2.13a: Torre com tiragem mecânica induzida em contracorrente
Fonte: CASETTA & MANSUR, 2004.
Figura 2.13b: Torre com tiragem mecânica induzida em contracorrente
Fonte: CASETTA & MANSUR, 2004.
2.4.2 Tipos e Características dos Sistemas de Resfriamento
Conforme a disponibilidade de água e do tipo de circulação, existem três tipos
principais de sistemas de resfriamento:
16
a) Aberto sem recirculação
b) Aberto com recirculação
c) Fechado
Os SISTEMAS ABERTOS SEM RECIRCULAÇÃO são utilizados quando existem
grandes volumes de água de boas características, usada numa só passagem e descarregada
após a absorção de calor. Geralmente é utilizado quando a água de resfriamento é abastecida
com água do mar, por exemplo. No Estado do Rio de Janeiro existem dois locais que utilizam
este tipo de sistema de resfriamento: a Refinaria de Duque de Caxias (Reduc) e a Usina
Nuclear de Angra dos Reis. O custo de instalação deste sistema é baixo, porém se a água não
for tratada, pode trazer graves inconvenientes ao desempenho das instalações. Além disto, tais
sistemas sofrem várias restrições ambientais, devido aos grandes volumes de água aquecida,
provocando graves problemas de poluição térmica (DANTAS, 1988). A figura 2.14 apresenta
um desenho esquemático de sistema aberto sem recirculação.
PROCESSO
FONTE DE ÁGUA FRIA RESERVATÓRIO PARA
DESPEJO DE ÁGUA QUENTE
Figura 2.14: Sistema aberto sem recirculação.
Fonte: AZEVEDO et al, 1999.
Os SISTEMAS ABERTOS COM RECIRCULAÇÃO são utilizados quando algum
tratamento da água e controles analíticos mais rigorosos são necessários antes da sua
utilização e, em situações onde a economia de água se faz necessária.
Nestes sistemas, quando a água quente do sistema entra em contato com o ar, um fluxo
espontâneo de calor passa dessa água quente para o ar frio, mas a maior parte do calor é
17
transferida por evaporação da água (GENTIL, 2003). A figura 2.15 apresenta um desenho
esquemático de sistema aberto com recirculação.
PROCESSO
ÁGUA DE MAKE UP
28
°
C
4 kgf/cm
2
ÁGUA DE PURGA
EVAPORAÇÃO
TORRE DE
RESFRIAMENTO
43
°
C
1,5 kgf/cm
2
Figura 2.15: Sistema aberto com recirculação
Fonte: AZEVEDO et al, 1999.
Nos SISTEMAS FECHADOS o resfriamento da água se dá por troca térmica com o ar,
e não por evaporação. Desta forma, o ciclo de concentração se mantém praticamente
constante. Usualmente este sistema é implantado em conjunto com o sistema aberto com
recirculação. A dissipação do calor ocorre em radiadores ou em trocadores de calor
refrigerados por um gás ou outro circuito de água (DANTAS, 1988). A figura 2.16 apresenta
um desenho esquemático de sistema fechado.
18
PROCESSO
ÁGUA DE MAKE UP
28
°
C
4 kgf/cm
2
EVAPORAÇÃO
TORRE DE
RESFRIAMENTO
50
°
C
1,5 kgf/cm
2
MAKE-UP
TROCADOR
DE CALOR
Figura 2.16: Sistema fechado.
Fonte: AZEVEDO et al, 1999.
Na maioria dos ramos industriais, os sistemas de resfriamento abertos com
recirculação são empregados com maior freqüência e por isto ênfase especial será dada à estes
sistemas nos tópicos seguintes.
2.4.3 Principais Problemas em Torres de Resfriamento
Incrustações
As incrustações são produzidas pela cristalização ou precipitação de sais dissolvidos na
água do sistema. A temperatura, taxa de transferência de calor, cálcio, magnésio, ferro, sílica,
alcalinidade, sólidos dissolvidos e pH são os fatores que interferem diretamente na formação
de depósitos.
Nas águas incrustantes o aumento da temperatura provoca a transformação do
bicarbonato de cálcio ou magnésio em carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio de
baixíssima solubilidade, provocando a incrustação das tubulações com crostas amorfas ou
cristalinas (GENTIL, 2003). Algumas reações que ocorrem são mostradas a seguir:
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O => Ca (HCO
3
)
2
(2.1)
19
Ca (HCO
3
)
2
=> CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O (2.2)
Mg (HCO
3
)
2
=> Mg(OH)
2
+ CO
2
(2.3)
Ca
2+
+ SO
4
2-
+ 2H
2
O => CaSO
4
. 2H
2
O (2.4)
Ca
2+
+ SiO
2
+ H
2
O => CaSiO
3
+ 2H
+
(2.5)
Fe
2+
+ OH
-
=> Fe (OH)
2
(2.6)
2Fe (OH)
2
+ H
2
O +1/2O
2
=> 2Fe (OH)
3
(2.7)
A incrustabilidade de uma água pode ser medida através de índices de estabilidade. O
ÍNDICE DE LANGELIER (IL) mede a tendência corrosiva ou incrustante de uma água.
Para um dado tipo de água a uma determinada temperatura, existe um valor de pH
denominado de saturação e indicado por pHs, onde o carbonato de cálcio está em equilíbrio
com o meio aquoso. O valor de pHs depende do teor de sólidos dissolvidos, da alcalinidade,
da dureza cálcica e da temperatura da água.
O índice de Langelier é obtido através da diferença algébrica entre o pH medido de uma
água e o pH de saturação (LANGELIER, 1936).
IL = pH – pHs (2.8)
pHs = (pK
2
,
– pKs
,
) + pCa + pAlc (2.9)
Onde:
pHs – pH de saturação
K
2
,
– constante derivada de K2, segunda constante de dissociação do dióxido de
carbono;
Ks
,
- constante derivada de Ks, produto da atividade do carbonato de cálcio;
pCa – cologaritmo da concentração molar de íon cálcio;
pAlc – cologarítimo da alcalinidade total expressa em equivalente g/L.
Se IL< 0 => a água é agressiva e tende a dissolver carbonato de cálcio.
Se IL = 0 => há equilíbrio de saturação, não havendo formação de crostas.
Se IL > 0 => a água é incrustante e tende a depositar carbonato de cálcio.
Outro método de avaliação do poder incrustante de uma água é devido a Ryznar, e é
chamado de ÍNDICE DE ESTABILIDADE DE RYZNAR (IR). Sua definição é a seguinte:
20
IR = 2 pHs – pH (2.10)
onde pHs é o pH teórico de saturação definido por Langelier e pH é o pH medido da água, na
temperatura considerada. O índice de Riznar indica a tendência à formação de cristais
compostos de Fe(OH)
3
e CaCO
3
, quando o teor de oxigênio dissolvido está acima de 4 ou
5mg/L e o pH na faixa de 7 a 8,5. A tabela 2.2 mostra a correlação entre o IR e a tendência da
água a ser agressiva ou incrustante.
Tabela 2.2: Correspondência entre o IR e a tendência à incrustação ou à agressividade
IR Característica da água
4 a 5 Incrustação acentuada
5
a 6 Incrustação fraca
6 a 7 Equilíbrio
7 a 7,5 Agressividade fraca
7,5 a 8,5 Agressividade acentuada
Fonte: PUCKORIUS, 1983.
O ÍNDICE DE ESTABILIDADE DE PUCKORIUS (IP) é calculado a partir de uma
modificação dos índices anteriores e confere maior exatidão na previsão de incrustações em
água de resfriamento e compatível com águas de torres a níveis de pH maiores que 7,5 e tão
alto quanto 9 (GENTIL, 2003).
A determinação deste índice é feita através do seguinte cálculo (PUCKORIUS, 1983).
IP = 2 pHs – (pHeq) (2.11)
pHeq = 1,465 x log AT + 4,54 (2.12)
onde AT = Alcalinidade total em ppm CaCO
3.
O controle das incrustações é feito através do uso de produtos químicos tais como:
polimetafosfatos, poliacrilatos, polimetacrilatos de sódio, fosfonatos aminados e não
aminados, etc. Todos estes produtos agem como antinucleantes, controlando a taxa de
crescimento dos cristais, impedindo incrustações e diminuindo a deposição de sólidos
suspensos. (BETZ, 1980). A figura 2.17 ilustra a formação de incrustações em sistemas de
troca térmica.
21
Figura 2.17: Tubo com incrustação.
Fonte: GENTIL, 2003.
Crescimento Biológico
Todo sistema exposto ao ar está sujeito a contaminações microbiológicas, o ar transporta
bactérias e fungos, que entram na torre de resfriamento, além disso a água de reposição
carreia bactérias e algas para o sistema. (MACÊDO, 2000).
Os fungos, algas e bactérias quando encontram condições favoráveis para o seu
desenvolvimento tornam-se um problema para águas de resfriamento, onde causam corrosão,
bloqueamento de tubos e através de um processo corrosivo, pode colocar a água de
resfriamento contaminada em contato com um determinado produto, colocando em risco a sua
qualidade sanitária. (MACÊDO, 2000). Além disto, ocorre uma diminuição da troca térmica,
aumento da perda de carga no sistema e a diminuição da vida útil do sistema.
Como medidas gerais e mais relevantes para a proteção contra a corrosão induzida por
microrganismos devem ser citadas:
• Emprego adequado de biocidas
• Limpeza sistemática e sanitização
• Revestimentos
• Eliminação de áreas de estagnação e frestas
• Aeração
• Variação de pH
• Proteção catódica
22
O Biocida ideal deve ser biodegradável, possuir grande atividade contra os
microrganismos e a baixas concentrações, não ser tóxico para formas de vida superiores e ser
compatível com o material dos equipamentos. Os Biocidas mais utilizados para o controle do
crescimento biológico são: derivados clorados (dióxido de cloro, hipoclorito de sódio,
hipoclorito de cálcio e dicloroisocianurato de sódio), sulfato de cobre, organoestanosos,
organossulfurosos, sais de amônio quaternário, acroleína, entre outros (GENTIL, 2003).
Corrosão
Os tipos de corrosão que aparecem com mais frequência em sistemas de resfriamento
abertos com recirculação são: galvânica, aeração diferencial, ácida, alcalina, entre outros.
O processo corrosivo pode ser iniciado pela agressividade da própria água, atacando o
ferro metálico do sistema e formando um depósito de Fe
2
O
3
.nH
2
O resultante da corrosão,
responsável por incrustações, depósitos e formação de células de corrosão diferencial.
Os fatores que aceleram a corrosão são: presença de oxigênio, valores baixos de pH,
presença de ácido carbônico, presença de metais distintos em contato no sistema, presença de
microrganismos, elevadas concentrações de cloretos e sulfatos e absorção pela água de gases
ácidos, tais como: H
2
S, SO
2
e SO
3
. (DANTAS, 1988).
A proteção contra a corrosão pode ser feita através das seguintes práticas:
• Controle biológico (cloração e biocidas)
• Controle do pH
• Uso de inibidores de corrosão ( cromatos e dicromatos, fosfatos condensados e
polifosfatos, sais de zinco, produtos orgânicos e nitritos).
• Proteção catódica
• Uso de antiincrustantes – agentes de superfície ou dispersantes (polifosfatos,
polifosfonatos e ésteres de fosfatos) e agentes complexantes ou quelantes (ácido
etilenodiaminotetracético (EDTA), ácido nitrilotriacético (NTA), entre outros).
Depósitos e Fouling
23
Segundo DANTAS (1988) os depósitos provocam erosão nas paredes das tubulações e
em áreas de estagnação, restringem o volume de água circulada e contribuem para a formação
de pilhas de aeração diferencial. Eles são originados de uma ou mais causas, tais como:
• Água contendo sílica coloidal;
• Água com clarificação deficiente, possibilitando uma pós-precipitação no sistema;
• Deficiência de filtração, permitindo a passagem de flocos da clarificação;
• Absorção pela água, circulando na torre, de poeira do meio ambiente;
• Teores elevados de ferro solúvel que, pela ação de bactérias ferro-oxidantes são
precipitados como tubérculos nas tubulações.
O fouling é uma aglomeração de materiais composta por um ligante (biomassa, óleo
mineral ou fluido de processo) e pelos sólidos suspensos (silt, poeira, lama, produtos de
corrosão, precipitados inorgânicos, etc). O problema do fouling é que ele impede a
transferência de calor satisfatória, restringe o volume de água circulada no sistema, promove o
aparecimento de pilhas de aeração diferencial e o desenvolvimento de bactérias do tipo
redutoras de sulfato (GENTIL, 2003).
O controle dos depósitos e fouling é feito através do uso de polímeros que agem como
antiincrustantes ou estabilizadores das dispersões dos sólidos suspensos e, do uso de biocidas
oxidantes halogenados complementados por biocidas não oxidantes e biodispersantes
(DANTAS, 1988). A figura 2.18 ilustra a formação de depósitos ocasionados por água
contendo bicarbonato de ferro.
Figura 2.18: Depósitos de óxido de ferro devido à água contendo bicarbonato de ferro
Fonte: GENTIL,2003.
24
2.4.4 Balanço Mássico no Sistema Aberto com Recirculação
Um simples balanço da água em um sistema de resfriamento pode ser determinado se
três dos quatro parâmetros forem conhecidos: make-up ou água de alimentação (A),
evaporação (E), respingo (R) e descargas (D), conforme ilustrado na figura 2.19.
E
R
A
D
Figura 2.19: Balanço Mássico no Sistema Aberto com Recirculação
Fonte: MEIO FILTRANTE, 2003.
A = E + R + D (2.13)
Ou, considerando-se as concentrações salinas envolvidas em cada etapa:
A*C
A
= E*C
E
+ D*C
D
+ R*C
R
(2.14)
onde:
C
A
= concentração de sais na água de alimentação (make up) (mg / L)
C
E
= concentração de sais na evaporação (mg / L)
25
C
D
= concentração de sais na água de descarga (blowdown)(mg / L)
C
R
= concentração de sais nos respingos (drift) (mg / L)
As perdas por respingos nas torres variam conforme os critérios de construção da torre,
do tipo e da sua localização (CASETTA & MANSUR, 2004). A tabela 2.3 expressa essas
perdas como uma porcentagem da vazão de água de circulação.
Tabela 2.3: Perdas por respingos em torres
TIPO % A MÉDIA FAIXA % A
Tiragem Natural 0,5 0,3 – 1,0
Tiragem Forçada 0,2 0,05 – 0,3
Tiragem Induzida 0,2 0,05 – 0,3
Condensador Evaporativo 0,1 0,1 – 0,2
% A – Percentagem da água arrastada (em relação à vazão de circulação).
Fonte: DANTAS, 1988.
A taxa de evaporação é aproximadamente 1% do fluxo de água passando através da
torre para cada 5,5ºC reduzidos na temperatura da água. A redução na temperatura da água irá
variar de acordo com o Ponto de Orvalho do ambiente. Quanto mais baixo for o ponto de
orvalho, maior será a diferença de temperatura entre a água que está entrando na torre (água
aquecida) e a água de saída da torre (água resfriada) (MEIO FILTRANTE, 2003).
CICLOS DE CONCENTRAÇÃO E TEMPO DE RETENÇÃO
Numa torre de resfriamento ocorrem perdas por evaporação, arraste de gotas de água
pelo vapor que sai pelo topo e também há a necessidade de purgas para diminuir a
concentração de sais na água circulante. O conteúdo de sais (cloretos, carbonatos, etc) deve
ser continuamente controlado, a fim de evitar a formação de incrustações no sistema de
distribuição ou corrosão.
A reposição de água clarificada na torre é imprescindível e varia de acordo com o tempo
de retenção e com os ciclos de concentração. O ciclo de concentração pode ser definido como
26
o número de vezes que a água de alimentação se concentra num sistema, limitado inicialmente
pelos respingos (GENTIL, 2003).
C = E + R + D / R + D (2.15)
onde:
C = ciclo de concentração = número de vezes que a água de alimentação se concentra no
sistema.
E = Evaporação (m
3
/ h)
D= Descarga (m
3
/ h)
R= Respingo (m
3
/ h)
O sistema é projetado para que o conteúdo de sais na torre seja de 5 a 10 vezes aquele da
água de reposição.
O volume de água economizado pelo aumento do ciclo de concentração pode ser
determinado como mostra a figura 2.20. Aumentando o ciclo de concentração de dois para
seis, serão economizados 40% do volume da água de make-up inicial. O ciclo de
concentração máximo na qual uma torre de resfriamento pode ainda operar corretamente
dependerá da qualidade da água de make-up, assim como pH, STD, alcalinidade,
condutividade, dureza e densidade de microorganismos. Taxas mínimas de descargas
(blowdown) devem ser determinadas juntamente com um ótimo programa de tratamento de
água para a torre de resfriamento (MEIO FILTRANTE, 2003).
27
Figura 2.20: Ciclo de concentração x economia de água de alimentação (make-up)
Fonte: MEIO FILTRANTE, 2003.
O TEMPO DE RETENÇÃO de um sistema de refrigeração exprime o tempo que
determinados produtos permanecem na água deste sistema, muitas vezes, provocando sua
degradação, ou aumentando concentrações salinas, ou sólidos suspensos que interferem no
tratamento. Este tempo pode ser obtido através da seguinte equação (DANTAS, 1988):
Tr =V / P (2.16)
onde:
V= volume total de água no sistema
P= perdas totais do sistema (descargas, respingos, etc)
2.4.5 Padrão de Qualidade da Água de Resfriamento
Como foi exposto anteriormente, a qualidade da água de reposição é fundamental para
garantir o bom funcionamento das torres de resfriamento. A tabela 2.4 mostra os parâmetros
críticos de controle que afetam o desempenho dos sistemas de resfriamento.
Tabela 2.4: Parâmetros de controle X Impactos prováveis em sistemas de resfriamento
Parâmetros Impactos Prováveis
Incrustação Fouling Corrosão Corrosão
microbiológica
Amônia X X
Fosfato X X X
Condutividade X X
28
COT X X
DBO X X
DQO X X
Ferro X X
Cobre X
Manganês X X
Fluoretos X
Sulfatos X
Cloretos X
Sílica X
Dureza cálcio X
Alcalinidade
total
X X X
pH X
Fonte: MACHADO, 2004.
O estudo realizado por EBLE e FEATHERS (1992) apresentou alguns limites teóricos
para a concentração de contaminantes na água das torres de resfriamento. A partir do
conhecimento desses limites é possível estimar o número de ciclos de concentração de acordo
com a qualidade da água de reposição.
Alguns parâmetros de qualidade da água de reposição foram descritos na tabela 2.5. É
importante ressaltar que tais parâmetros foram extraídos de literaturas internacionais e exigem
adaptações para o caso brasileiro, pois a qualidade da água é diferente em casa região do país.
Tabela 2.5: Qualidade de água de reposição ou makeup para uso em sistemas de
resfriamento com circuitos semi-abertos, com recirculação de águ
a.
Parâmetro
a
Limite Internacional
b
Cl
-
500
SDT 500
Dureza 650
Alcalinidade 350
pH 6,9 – 9,0
29
DQO 75
STS 100
Turbidez 50
DBO 25
Material orgânico
c
1,0
N-NH
4
+
1,0
PO
4
-3
4
SiO
2
50
Al
+3
0,1
Fe
+2
0,5
Mn
+2
0,5
Ca
+2
50
Mg
+2
0,5
HCO
3
-
24
SO
4
=
200
a
- Todos os valores em mg/L, exceto pH
b
- Water Pollution Control Federation, 1989
c
- Substâncias ativas ao azul de metileno
Fonte: Environmental Protection Agency (1992).
30
3. CARACTERÍSTICAS E PROCESSOS DE TRATAMENTOS DE
EFLUENTES INDUSTRIAIS
A escolha do processo de tratamento de efluentes depende principalmente dos tipos e
características dos contaminantes presentes nos efluentes industriais, da qualidade requerida
para o efluente tratado, dos custos e área disponível e da existência no futuro de uma
legislação mais rígida no que diz respeito aos padrões de lançamento (ECKENFELDER,
1970).
As tecnologias de tratamento podem ser agrupadas em níveis crescentes de qualidade do
efluente final. O tratamento preliminar remove fisicamente os sólidos de acordo com o
diâmetro da partícula e inclui também a etapa de regularização da vazão de efluentes. No
tratamento primário a matéria orgânica coloidal é reduzida assim como a quantidade de óleos
e graxas emulsionadas, detergentes e corantes e a remoção da matéria orgânica dissolvida
ocorre no tratamento secundário (SPERLING, 1996). Desta forma, as indústrias que possuem
efluentes sem gorduras emulsionadas (exs: refrigerantes, cervejaria, entre outras) podem optar
apenas pelo tratamento biológico, mas no caso de indústrias de pescado, margarinas,
abatedouros, alimentos em geral, o tratamento físico-químico deve preceder o biológico.
A tendência atual é aumentar a eficiência e o grau de tratamento para que o efluente
possa ser reutilizado ou reciclado cada vez mais dentro da indústria. A grande discussão gira
em torno da técnica de polimento ótima para atingir tal objetivo. A figura 3.1 mostra os
contaminantes removidos em cada nível de tratamento e a tabela 3.1 apresenta as tecnologias
usuais disponíveis no mercado.
31
32
SÓLIDOS EM
SUSPENSÃO, MATÉRIA
ORGÂNICA COLOIDAL E
O&G EMULSIONADAS
MATÉRIA ORGÂNICA
BIODEGRADÁVEL
DISSOLVIDA OU COLOIDAL
NITROGÊNIO E/OU FÓSFORO
SÓLIDOS
GROSSEIROS
COR RESIDUAL, TURBIDEZ
( COLÓIDES, METAIS
PESADOS, NITROGÊNIO,
FÓSFORO, ETC)
Figura 3.1: Remoção de poluentes por nível de tratamento
33
Tabela 3.1: Processos de tratamento de efluentes líquidos conforme a classificação por
níveis
TRATAMENTOS
PRELIMINAR PRIMÁRIO SECUNDÁRIO TERCIÁRIO
Gradeamento Neutralização Lodos Ativados Filtração com
membranas
Peneiramento Coagulação
Química
Lagoas
Anaeróbias
Adsorção com carvão
ativado
Caixa de Areia Floculação Lagoas Aeradas Ozonização
Separadores por Densidade
(SAO)
Sedimentação Filtros Biológicos Coagulação Química
Equalização Flotação Biodiscos Floculação
Sedimentação
Flotação
Fonte: LORA, 2002.
3.1 Técnicas de Tratamento de Efluentes
3.1.1 Tratamento Primário
• Coagulação Química e Floculação
A Coagulação é empregada na remoção de partículas em suspensão e coloidais. Este
processo muito utilizado na clarificação de água emprega sais de alumínio e ferro ou
polímeros sintéticos a fim de desestabilizar as partículas através de dois fenômenos
principais: o primeiro, essencialmente químico, consiste na reação do coagulante com a água
e formação de espécies hidrolisadas com carga positiva; o segundo, um processo de mistura
rápida e essencialmente físico, consiste no transporte das espécies hidrolisadas para que haja
contato com os contaminantes presentes na água. (DI BERNARDO, 1993).
A desestabilização mais eficiente resulta do contato de partículas coloidais com
pequenos microflocos de hidróxidos carregados positivamente e gerados em menos de 0,1
34
segundo. Quanto maior for a intensidade de formação e menor for o período de tempo para a
ocorrência será melhor.
Em um sistema bifásico (sólido-líquido) onde existe uma grande concentração de
partículas coloidais, umas se aproximam das outras e/ou chocam-se entre si devido ao
movimento contínuo e desordenado dessas mesmas partículas (movimento browniano),
permitindo-se uma interação entre as camadas difusas, fazendo com que ocorra atração
devido à força de Van de Waals e repulsão devido à força eletrostática ou da dupla camada
elétrica.
A força de Van der Waals tem origem na interação de dipolos elétricos atômicos e
moleculares, estando associada às flutuações na densidade eletrônica dos átomos. No caso de
dois átomos a força atrativa de Van de Waals é inversamente proporcional à sétima potência
da distância entre eles, porém, para duas partículas constituídas de grande número de átomos,
as forças atuantes sobre cada par de átomos são aditivas, resultando em uma energia de
atração inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as superfícies das
partículas.
A força da dupla camada elétrica tem origem na superfície das partículas sólidas, onde
ocorre adsorção ou dessorção de íons entre a partícula sólida e a solução circundante.
As partículas coloidais possuem predominantemente cargas negativas, as quais atraem
uma grande quantidade de íons de carga positiva presentes na solução, porém devido as
dimensões das superfícies das partículas, apenas um número limitado de íons positivos
consegue ser adsorvido. Esta adsorção faz com que os íons adsorvidos permaneçam de
maneira rígida sobre a superfície da partícula, dando origem à denominada camada compacta
ou camada de Stern. Quando íons negativos aproximam-se desta camada, atraem consigo
alguns íons positivos, resultando na formação da camada difusa, que engloba a camada
compacta, na realidade, a camada difusa resulta da atração de íons positivos, repulsão
eletrostática de íons negativos e difusão térmica. O conjunto das camadas, difusa e compacta,
resulta na denominada dupla camada elétrica cuja configuração encontra-se ilustrada na
figura 3.2.
35
Figura 3.2 Configuração esquemática da dupla camada elétrica
Fonte: SILVA, T., 1999.
Os principais mecanismos de coagulação são (PAVANELLI, 1998):
1- Compressão da camada difusa – íons de cargas positivas (ex: Al
3+
, Ca
2+
e Na
+
)
neutralizam a carga das partículas permitindo a sua desestabilização. Quanto maior a
carga do íon positivo, menor a quantidade requerida para a coagulação. Ao
desestabilizar colóides negativos, as concentrações molares dos metais Na
+
, Ca
2+
, Al
3+
variam de 1000:10:1. Este fenômeno é explicado pela grande concentração de cargas
positivas que causam excesso de íons na camada difusa, fazendo com que reduza o
36
volume da esfera para manter-se eletricamente neutra, reduzindo o potencial elétrico
(Potencial Zeta) e predominando a força de Van der Waals.
2- Neutralização da carga por adsorção de um coagulante pelo colóide – íons metálicos
hidrolisáveis são adsorvidos pelos colóides formando uma camada gelatinosa na
superfície. Alguns dos compostos que dão origem a estes íons são sulfato de alumínio,
sulfato ferroso e cloreto férrico.
3- Ação de varredura de compostos precipitados – quando são utilizadas concentrações
muito elevadas de um coagulante ocorre a precipitação rápida de um hidróxido
metálico e as partículas coloidais são então envolvidas pelos precipitados e arrastadas
ao fundo num processo chamado de varredura. Os flocos formados são maiores do que
aqueles formados pela adsorção e neutralização de cargas; conseqüentemente, suas
velocidades de sedimentação são maiores.
4- Ponte interpartícula através de adsorção de um polímero pelo colóide – compostos
orgânicos sintéticos e naturais caracterizados por grandes cadeias moleculares
apresentam sítios ionizáveis ao longo da cadeia e podem atuar como coagulantes. O
comportamento dos polímeros como coagulante pode ser explicado baseando-se na
sua adsorção à superfície das partículas coloidais, seguida pela redução da carga ou
pelo entrelaçamento das partículas nas cadeias do polímero.
A tabela 3.2 apresenta os diversos coagulantes e as faixas de pH em que geralmente se
obtém as condições ótimas de tratamento.
Tabela 3.2: Coagulantes e faixas de pH em que são utilizados
COAGULANTES FAIXA DE pH
Sulfato de alumínio 5,0 a 8,0
Sulfato ferroso 8,5 a 11,0
Sulfato férrico 5,0 a 11,0
Cloreto férrico 5,0 a 11,0
Sulfato ferroso clorado acima de 4,0
Aluminato de sódio e Sulfato de alumínio 6,0 a 8,5
Fonte: AZEVEDO NETTO et al, 1995.
Os coagulantes são adicionados em tanques de mistura rápida e reagem com a água,
formando uma série de íons hidratados:
37
Al
2
(SO
4
)
3
+ 12 H
2
O Ù 2 ( Al (H
2
O)
6
)
+3
+ 3 (SO
4
)
-2
(3.1)
(Al(H
2
O)
6
)
+3
+ H
2
O Ù (Al(H
2
O)
5
OH)
+2
+ H
3
O
+
(3.2)
(Al(H
2
O)
5
OH)
+2
+ H
2
O Ù (Al(H
2
O)
4
(OH)
2
)
+
+ H
3
O
+
(3.3)
(Al(H
2
O)
4
(OH)
2
)
+
+ H
2
O Ù (Al(H
2
O)
3
(OH)
3
+ H
3
O
+
(3.4)
Esses íons complexos com cargas elétricas positivas são rapidamente adsorvidos pelas
partículas coloidais em suspensão que, normalmente, possuem cargas elétricas negativas,
provocando uma redução de espessura da camada elétrica que envolve essas partículas (AL
MUTARI, Z.N. et al., 2004).
Em seguida, inicia-se o processo de Floculação onde as partículas em estado de
equilíbrio eletrostaticamente instável no seio da massa líquida são forçadas a se movimentar,
a fim de que sejam atraídas entre si formando flocos, que, com a continuidade da agitação,
tendem a aderir uns aos outros, tornando-se pesados, para posterior separação nas unidades
de sedimentação, filtração ou flotação (AZEVEDO NETTO et al., 1995).
Flocos de alumínio e ferro tendem a ser um tanto quanto frágeis e são facilmente
dispersados quando misturados. Sílica ativada em dosagens de 2-5 mg/L pode ser adicionada
para dar mais resistência ao floco. Polímeros aniônicos ou não de cadeias longas em
dosagens de 0,2-1,0 mg/L podem ser adicionados para reunir e aumentar o período de
floculação.
A tabela 3.3 mostra as vantagens e desvantagens da coagulação e floculação química.
Tabela 3.3: Vantagens e Desvantagens da Coagulação e Floculação Química
VANTAGENS DESVANTAGENS
Alta eficiência na remoção de óleos e
gorduras
Geração de lodo químico
Redução da cor das águas residuárias Custos do consumo de produtos químicos
Remoção de alguns componentes tóxicos
Redução parcial da carga orgânica
Fonte: FEEMA, 2002.
38
• Sedimentação e Flotação
A Sedimentação é um processo físico em que as partículas suspensas apresentam
movimento descendente em meio líquido de menor massa específica, devido à ação da
gravidade, enquanto que a Flotação caracteriza-se pela ascensão das partículas suspensas,
pela aderência de bolhas de ar na superfície das mesmas, provocando um aumento do empuxo
e tornando-as de menor massa específica que o meio onde se encontram (DI BERNARDO,
1993).
A tabela 3.4 mostra que de acordo com a concentração e interação entre as partículas,
quatro tipos de sedimentação podem ocorrer: discreta, floculenta, zonal e por compactação.
Tabela 3.4: Tipos de Sedimentação e Área de Aplicação
TIPO DE
SEDIMENTAÇÃO
DESCRIÇÃO APLICAÇÃO
Discreta As partículas têm velocidades de
sedimentação constantes.
Remoção de areia
Floculenta Ocorre aumento da sedimentação
devido aos efeitos de coalescência
com outras partículas.
Sedimentadores primários e
sedimentadores posteriores a
processos de coagulação e
floculação.
Zonal As camadas de lodo apresentam
várias zonas perfeitamente
diferenciadas e com velocidades de
sedimentação distintas.
Clarificadores secundários
usados em conjunto com
instalações de tratamento
biológico.
Compactação As partículas estão em tal
concentração, que uma estrutura é
formada, e sedimentação adicional
pode ocorrer somente por
compressão.
Clarificadores secundários e
adensadores de lodo.
Fonte: METCALF & EDDY, 1991.
39
Alguns ensaios de laboratório podem ser realizados a fim de determinar a velocidade
de sedimentação e gerar dados sobre a geração de lodo, esta a partir da zona de compactação
da sedimentação (ECKENFELDER, 1989; DI BERNARDO et al, 2002). Desta forma, pode-
se obter uma estimativa do tempo necessário desta etapa, assim como as taxas de aplicação
superficial e de carga de sólidos, e, também, analisar o comportamento do lodo, de maneira a
fazer os ajustes necessários no tratamento, compatíveis com a unidade dimensionada
(DREW, 1979).
No caso da sedimentação floculenta e zonal, o controle é feito através da análise dos
sólidos em suspensão e de outros parâmetros de acompanhamento no clarificado, e pela
altura do lodo na zona de compactação do decantador (FEEMA, 2002).
O Jar Test é um teste de coagulação e floculação utilizado para determinar as
condições ótimas de operação no tratamento físico-químico de efluentes. Desta forma, é
possível obter com sucesso os parâmetros de projeto de novas estações e otimizar as estações
de tratamento de efluentes existentes (Di Bernardo et al., 2003). O teste divide-se em várias
etapas, nas quais são variadas as concentrações de uma substância enquanto são fixadas as
melhores dosagens de substâncias de outras etapas.
A Flotação é originada a partir dos seguintes processos (METCALF & EDDY, 1991):
- Injeção de ar no líquido sob pressão, seguido de redução na pressão (flotação a ar
dissolvido)
- Aeração a pressão atmosférica (flotação a ar disperso)
- Saturação com ar a pressão atmosférica, seguido de aplicação de vácuo no líquido
(flotação a vácuo)
Os critérios de dimensionamento desses sistemas devem ser obtidos através de testes
em escala de laboratório e piloto, os quais devem verificar a quantidade de sólidos
suspensos, a quantidade de ar utilizada, a velocidade de ascensão das partículas e a taxa de
aplicação de sólidos (METCALF & EDDY, 1991).
40
3.1.2 Tratamento Secundário ou Biológico
O Processo de Lodos Ativados baseia-se na aeração do despejo com crescimento
biológico floculento, seguido por separação do despejo tratado. Parte da biomassa é
descartada para disposição adequada e o remanescente retorna ao sistema como reserva de
atividade biológica.
Os controles operacionais podem ser realizados através da concentração de sólidos no
tanque de aeração, pela carga mássica ou pela idade do lodo. Através do acompanhamento
da concentração dos sólidos, verifica-se o equilíbrio do sistema, ajustando-o através do
descarte do lodo. O sucesso da operação do sistema depende da separação eficiente sólido-
líquido no decantador secundário (FEEMA, 2002).
Os decantadores secundários ocupam um papel importante, uma vez que neles se
processa a decantação, a retirada do lodo recirculado para o tanque de aeração, e do
excesso de lodo para uma digestão. Há interesse em que o lodo retorne rápida e
imediatamente após ter sedimentado, evitando condições de septicidade. Deseja-se uma
boa separação dos sólidos provenientes do tanque de aeração para que um efluente final
bem clarificado, de baixa turbidez e com baixa concentração de sólidos em suspensão seja
obtido e, também um bom adensamento do lodo sedimentado, que constitui o lodo ativado
a ser retornado ao tanque de aeração.
O lodo que sedimenta apresenta características floculentas e a maior ou menor
facilidade em sedimentar pode ser mediada através do Índice Volumétrico de Lodo (IVL)
ou Índice de Mohlman (IM). Este é definido como o volume em mililitros ocupado por 1
grama de lodo, após 30 minutos de sedimentação. Quanto maior o IVL, menor o peso
específico do lodo e pior a sua condição de sedimentação. Valores de IVL entre 40 e 150
indicam uma boa qualidade do lodo formado; valores acima de 200 são normalmente
indicativos de um lodo de qualidade inferior.
41
Quando os valores de IVL são altos, verifica-se um fenômeno conhecido como
entumescimento do lodo ou bulking, que consiste no lodo aflorar à superfície do
decantador e sair com o efluente, piorando as características de sólidos em suspensão e de
turbidez do efluente tratado. Isto ocorre geralmente com a formação de fungos
filamentosos ou com a presença de cápsulas das células residuais da respiração endógena.
(JORDÃO & PESSÔA, 1995).
O controle da operação do processo de lodos ativados é fundamental visto que as
consequências da ineficiência deste recaem diretamente sobre o sistema de reuso. Dentre
os principais efeitos podem ser citados o entupimento dos pré-filtros e parada do
bombeamento para manutenção e a produção de água com qualidade inferior a requerida
devido à passagem de material orgânico dissolvido. Desta forma, as principais variáveis
para o sucesso de um programa de reuso deixam de atuar, ou seja, a confiabilidade da ETE
e a segurança e eficiência do processo.
A tabela 3.5 mostra outros processos de tratamento biológico e os principais usos.
Ênfase especial foi dada ao processo de lodos ativados pois é a tecnologia empregada na
indústria farmacêutica objeto deste estudo.
Tabela 3.5: Principais processos biológicos para o tratamento de efluentes
TIPO DE
TRATAMENTO
NOME COMUM USO
42
Processos aeróbios
Com crescimento em
suspensão
Com crescimento em
suportes
Processos de lodos ativados
-convencional
-mistura completa
-aeração em etapas
-oxigênio puro
-reatores em batelada em série
-estabilização por contato
-aeração prolongada
-valos de oxidação
-poço profundo
Crescimento em suspensão e nitrificação
-lagoas aeradas
Digestão aeróbia com ar ou com oxigênio
puro
Filtros biológicos com taxa de aplicação
baixa ou alta
Filtros grosseiros (leitos de pedra),
contatores biológicos rotacionais e
reatores com enchimento
Redução de DBO carbonácea
Nitrificação
Redução de DBO carbonácea
Estabilização e redução de DBO
carbonácea
Redução de DBO carbonácea
Redução de DBO carbonácea
Processos anóxicos
Com crescimento em
suspensão
Com crescimento em
suportes
Crescimento em suspensão e
desnitrificação
Filme fixo e desnitrificação
Desnitrificação
Desnitrificação
Processos anaeróbios
Com crescimento em
suspensão
Com crescimento em
suportes
Digestão anaeróbia
-taxa padrão de estágio único
-alta taxa de estágio único
-dois estágios
Processos anaeróbios de contato
Filtro biológico
Estabilização e redução de DBO
carbonácea
Redução de DBO carbonácea
Redução de DBO carbonácea,
estabilização de esgotos
(desnitrificação)
Processos em Lagoas
Aeróbias
Maturação
Facultativas
Anaeróbias
Redução de DBO carbonácea
Redução de DBO carbonácea e
nitrificação
Redução de DBO carbonácea
Redução de DBO carbonácea,
estabilização de esgotos.
Fonte: METCALF & EDDY, 1991.
43
3.1.3 Tratamento Terciário
• Processos de Filtração em Membranas
Uma das principais características dos processos de separação com membranas é que eles
podem ser operados em fluxo cruzado (cross flow filtration), além da operação clássica do
tipo dead end filtration. Quando se tratar do solvente puro e sem interação com o material da
membrana, o fluxo permeado, para uma dada pressão de operação, deve ser constante com o
tempo para os dois modos de operação.
No caso de uma solução ou suspensão sendo processada no modo dead end filtration, o
permeado passa através da membrana e o soluto, ou os materiais em suspensão, são retidos,
acumulando-se na superfície da membrana. Trata-se de um modo de operação
fundamentalmente transiente, uma vez que a concentração do soluto próximo à membrana
aumenta com o tempo (HABERT et al., 2003).
Na filtração de fluxo cruzado a solução ou suspensão escoa paralelamente a superfície da
membrana enquanto o permeado é transportado transversalmente a mesma, conforme mostra
a figura 3.3. Neste caso, o escoamento paralelo à membrana limita o acúmulo do material
retido sobre a mesma, tornando possível uma operação do sistema em condições de regime
estabelecido de transferência de massa.
Figura 3.3: Desenho esquemático do funcionamento das membranas
Fonte: AZEVEDO et al., 1999.
Em outras palavras, o fluxo de permeado pode permanecer constante com o tempo, mas
em um valor menor do que o obtido com o solvente puro, na mesma pressão de operação, uma
vez que o aumento da concentração das espécies retidas próximo à superfície da membrana
44
provoca uma resistência adicional a transferência de massa do solvente. O aumento da
concentração das espécies retidas próximo à superfície da membrana continua presente, mas
seu efeito pode ser minimizado, em particular, alterando-se a hidrodinâmica do escoamento
da corrente de alimentação, conforme mostra a figura 3.4.
Figura 3.4: Comparação esquemática entre Filtração Convencional (“Dead End
Filtration”) e a Filtração em Fluxo Cruzado (“Cross Flow Filtration”)
Fonte: HABERT et al., 2003.
O transporte de uma espécie química através da membrana ocorre através de uma
força motriz que age sobre a mesma e que no caso de processos comerciais de separação com
membranas é dado pelo gradiente de potencial elétrico e/ou químico. Este último pode ser
expresso apenas em termos do gradiente de pressão e de concentração, pois os processos com
membranas são em geral atérmicos.
Quando se processa uma solução com solutos de baixa massa molar ou macromoléculas
utilizando-se processos de separação com membranas, devido a seletividade do processo,
independente da operação ser do tipo dead end ou tangencial, sempre haverá aumento da
concentração das espécies retidas próximo à superfície da membrana. O fato de a
concentração do soluto próximo à superfície da membrana ser maior do que no seio da
solução, provoca um movimento difusivo deste soluto no sentido de retornar ao seio da
45
solução. No caso da filtração tipo dead end, mesmo havendo este retorno de soluto pelo
mecanismo difusivo, a tendência predominante é o aumento da concentração de soluto na
região próxima à membrana e o processo será transiente. Por outro lado, se o sistema é
operado em fluxo cruzado é possível obter um equilíbrio entre quantidade de soluto que é
transportado em direção à membrana, arrastado pelo fluxo de solvente que permeia a
membrana, e a quantidade de soluto se difunde da região próximo à superfície da membrana
em direção ao seio da solução. O resultado deste equilíbrio é um perfil de concentração de
soluto, próximo a membrana, independente do tempo, o que possibilita o sistema ser operado
em condições de regime estabelecido de transferência de massa, ou seja, fluxo permeado
constante (HABERT et al., 2003).
Este fenômeno é conhecido como polarização de concentração, é inerente a
qualquer processo de transporte seletivo. Nas operações em fluxo cruzado a polarização de
concentração se estabelece rapidamente, em questões de minutos. Ela também provoca uma
resistência adicional à transferência de massa do solvente através da membrana, com
conseqüente queda no fluxo permeado, relativa ao fluxo de solvente puro obtido na mesma
pressão (LEITE, 1989).
A polarização da concentração é fortemente afetada pelas condições de escoamento da
corrente de alimentação. A medida que se aumenta a velocidade tangencial da alimentação a
espessura, δ, da região polarizada irá diminuir. Como conseqüência, o nível de polarização
diminui e o fluxo permeado aumenta, conforme mostra a figura 3.5.
46
Figura 3.5: O Fenômeno de Polarização de Concentração
Fonte: HABERT et al., 2003.
A morfologia da membrana e a natureza do material que a constitui são algumas das
características que vão definir o tipo de aplicação e a eficiência na separação. Do ponto de
vista morfológico as membranas podem ser classificadas em duas grandes categorias: densas
e porosas. As membranas são consideradas densas quando o transporte dos componentes
envolve uma etapa de dissolução e difusão através do material que constitui a membrana. A
membrana é considerada porosa quando o transporte dos permeantes ocorre preferencialmente
em uma fase fluida contínua, que preenche os poros da membrana (DI LUCCIO, 1997).
Quando a membrana apresenta as duas morfologias, uma parte densa e uma parte
porosa, é necessário considerar o tipo de transporte predominante e a característica de sua
seção transversal. Desta forma, quando uma membrana possui uma fina camada densa
sustentada por uma estrutura porosa, também pode ser considerada como uma membrana
densa, pois o principal mecanismo envolvido na separação dos componentes permeantes
envolve a dissolução e difusão no material dessa fina camada superficial da membrana. Por
outro lado, a variação na densidade ao longo da seção transversal da membrana pode ser
descrita como assimétrica ou, de modo mais geral, anisotrópica. Então, no caso considerado, a
membrana é descrita como uma membrana anisotrópica densa (DI LUCCIO, 1997).
47
A classificação da membrana também deve distinguir o material que constitui as
diferentes regiões na seção transversal da membrana. No caso de ser o mesmo material a
membrana é dita integral, caso contrário denomina-se composta.
As membranas sintéticas comerciais são produzidas a partir de duas classes distintas
de material: os polímeros, na sua grande maioria materiais orgânicos, e os inorgânicos, como
metais e cerâmicos. Normalmente as membranas de natureza orgânica apresentam menor
custo de produção do que as inorgânicas. No entanto, estas últimas apresentam uma maior
vida útil e permitem limpezas mais eficientes.
Os principais materiais poliméricos empregados no preparo de membranas comerciais
são: acetato de celulose, polisulfona, poliacrilonitrila, policarbonato, poliétersulfona, entre
outros. Exemplos de materiais não poliméricos são: cerâmicos, carbono, óxidos metálicos e
metais.
As características da superfície da membrana que está em contato com a solução a ser
separada é que vão definir a utilização de uma membrana densa ou porosa. Tanto as
membranas densas como as porosas podem ser isotrópicas ou anisotrópicas, ou seja, podem
ou não apresentar as mesmas características morfológicas ao longo de sua espessura. As
membranas anisotrópicas se caracterizam por uma região superior muito fina, mais fechada
(com poros ou não), chamada de pele, suportada em uma estrutura porosa. Quando ambas as
regiões são constituídas por um único material a membrana é do tipo anisotrópica integral.
Caso materiais diferentes sejam empregados no preparo de cada região a membrana será do
tipo anisotrópica composta (HABERT et al., 2003).
Diversos módulos têm sido projetados para condicionar as membranas na forma
plana, em geral, estes devem ser projetados de forma contemplar uma melhor eficiência do
escoamento da solução de alimentação. A utilização de espaçadores para aumentar fluxos
secundários e melhorar a transferência de massa tem sido freqüente. As concepções de
módulos mais empregadas têm sido as de Placa-e-Quadro e a Espiral.
No módulo de Placa-e-Quadro o projeto é similar ao de filtros convencionais, estando
as membranas dispostas paralelamente, intermediadas por espaçadores e suportes, conforme
mostra a figura 3.6. O suporte fornece resistência mecânica à membrana, quando submetida a
diferenças de pressão elevadas. A alimentação ocorre simultaneamente a todas as membranas,
sendo o concentrado (solução que não permeou) retirado por um duto central. Módulos com
esta concepção têm custo de fabricação elevado e possui uma relação baixa entre a área de
permeação e o volume do módulo (400-600 m
2
/m
3
). Entretanto, as condições de escoamento
da alimentação e do permeado podem ser facilmente controladas, bem como as membranas
48
que forem danificadas durante a operação podem ser substituídas sem perda do módulo. São
utilizadas para processos de separação com membranas para aplicações em escalas pequena e
média (HABERT et al., 2003).
Figura 3.6: Módulo Placa-e-Quadro (detalhe da disposição à esquerda)
Fonte: HABERT et al., 2003.
o módulo espiral, ilustrado na figura 3.7, utiliza-se a membrana entre dois
espaça utro
os
N
dores. Um destes serve como um canal coletor para o permeado, enquanto o o
fornece espaço para escoar a solução de alimentação. As membranas conjuntamente com
espaçadores são enroladas em torno de um duto perfurado, para o qual o permeado escoa. O
conjunto é selado externamente com resina epóxi. O custo de fabricação do módulo é baixo e
apresenta uma relação entre área de permeação e volume do módulo mais elevada (800 - 1000
m
2
/m
3
). As condições de escoamento do lado permeado são inferiores a do módulo Quadro-
Placa, e para alimentação dependem fortemente do tipo espaçador utilizado.
49
ESPAÇADOR DE ALIMENTAÇÃO
ESPAÇADOR DE PERMEADO
FLUXO DE PERMEADO
MEMBRANA
PERMEADO
ESPAÇADOR DE PERMEADO
PERMEADO
TUBO COLETOR DE
PERMEADO
Figura 3.7: Esquema do Módulo Espiral de Membranas de Ultrafiltração
Fonte: Material cedido pela Tecma (2004).
A escolha da membrana a ser utilizada no tratamento terciário de efluentes depende dos
tipos de contaminantes presentes na água de alimentação da membrana que, neste estudo, é o
50
efluente tratado proveniente do tratamento biológico, e também da qualidade requerida do
permeado para reuso.
As técnicas tradicionais de separação por membranas envolvem: microfiltração (MF),
ultrafiltração (UF) para a separação de partículas e moléculas de alto peso molecular e,
nanofiltração (NF) e osmose inversa (OR) para a separação molecular. A figura 3.8 apresenta
uma escala geométrica dos contaminantes removidos nos diferentes processos de tratamento.
Micrometros
S
Ângstrons
S
Tamanho
relativo
de materiais
comuns
Processos para
separação
10
100 1000 10
4
10
5
10
6
10
7
0.001
0.01 0.1 1.0 10.0 100.0
1000
Íons
Moléculas
Macro moléculas
Micro partículas
Macro partículas
Visíveis a olho nú
Microscópio óptico
Microscópico eletrônico
Micr
.
Subatôm
.
A
reia comum
Bactérias
Pigmento de tinta
Vírus
Sais minerais
Íons
metálicos
A
çúcar
Osmose reversa
Nanofiltração
Ultrafiltração
Microfiltração
Filtração convencional de partículas
Carvão ativado
granulado
névoa
Finos de carvão
Fio de cabelo
Herbici
-
das
Pesti
-
cidas
Fumaça de cigarros
Sílica coloidal
Pólens
A
lbumina/proteína
Bactéria
Gyardia
Resina
de
troca
iônica
Crypto
pori-
dium
Finos de carvão ativado
O ESPECTRO DA FILTRAÇÃO
Peso molecular
.
apro
100
x
.
200
1.000
10.000 20.000
100.000 500.000
Colóides
Fibra de algodão
Figura 3.8 : O espectro da filtração
Fonte: Adaptado de TOROK, 2004.
A microfiltração (MF) é o processo de separação com membranas mais próximo da
filtração clássica. Utiliza membranas porosas com poros na faixa entre 0,1 e 10µm, sendo,
portanto indicado para retenção de materiais em suspensão e emulsão. Como as membranas
de MF são relativamente abertas, as pressões empregadas como força motriz para transporte
são pequenas, dificilmente ultrapassando 3 bar. Na MF o solvente e todo material solúvel
permeia a membrana. Apenas o material em suspensão é retido.
51
A ultrafiltração (UF) é um processo de separação por membranas utilizado quando se
deseja purificar e fracionar soluções contendo macromoléculas. As membranas de UF
apresentam poros na faixa entre 1 e 100 nm, portanto mais fechadas do que as membranas de
MF. Soluções contendo solutos numa ampla faixa de massa molar (103 – 106 Dalton) podem
ser tratadas por este processo. Como os poros das membranas de UF são menores, uma força
motriz maior é necessária para obter fluxos permeados elevados o suficiente para que o
processo possa ser utilizado industrialmente. Por este motivo as diferenças de pressão através
da membrana variam na faixa de 2 a 10 bar.
Tendo em vista que as membranas de UF apresentam uma distribuição de tamanho de
poros elas são caracterizadas através da chamada curva de retenção nominal, que relaciona o
coeficiente de rejeição em função da massa molar do soluto. As membranas de UF são,
normalmente, especificadas através da massa molar de retenção nominal ou cut off. A
retenção nominal de uma membrana é definida como sendo o valor da massa molar para a
qual a membrana apresenta coeficiente de rejeição de 95%. Assim, uma membrana com
retenção nominal de 15kDa é aquela capaz de rejeitar 95% das moléculas presentes em uma
solução de um soluto com massa molar de 15.000 Dalton. Os fluxos permeados em UF estão,
em geral, na faixa de 150 a 250 L / h*m
2
. Fluxos permeados bem menores podem ser obtidos
em função da polarização de concentração e do fouling, em função da natureza da solução a
ser tratada e das condições de operação do sistema.
A osmose inversa (OI) é um processo de separação com membranas usado quando se
deseja reter solutos de baixa massa molar, tais como sais inorgânicos ou pequenas moléculas
orgânicas como glicose. Por este motivo, as membranas de OI devem ser mais fechadas
(poros menores) apresentando, portanto, uma maior resistência à permeação e,
conseqüentemente, pressões de operação mais elevadas do que as utilizadas em UF. Na
verdade, as membranas de OI apresentam características intermediárias entre as membranas
de MF e UF (SIDNEY et al., 2000).
A figura 3.9 mostra as principais características dos processos que utilizam diferença
de pressão como força motriz.
52
Figura 3.9 Características dos processos que Utilizam Diferença de Pressão como Força
Motriz
Fonte: HABERT et al., 2003.
A eficiência da membrana é dada de acordo com o fluxo do permeado e seletividade,
que são parâmetros afetados pelo fenômeno da polarização de concentração (GUO et al,
2004).
A seletividade está relacionada ao tamanho dos poros e propriedades físico-químicas
dos polímeros componentes da membrana. Para processos cuja força motriz é o gradiente de
pressão a capacidade seletiva da membrana, em relação a uma dada espécie, é medida através
do Coeficiente de Rejeição (R), definido por uma relação entre a concentração da espécie na
alimentação (C
0
) e sua concentração no permeado (C
P
), conforme mostra a figura 3.10
(LEITE, 1989).
53
Figura 3.10: Medida de seletividade em processos com membranas
Fonte: HABERT et al., 2003.
Logo:
• Para R=0 => a membrana não apresenta nenhuma capacidade seletiva e as
concentrações das espécies na alimentação e no permeado são iguais.
• Para R=1 => a membrana é capaz de rejeitar completamente a espécie em questão e a
concentração desta é nula no permeado.
BELLONA et al. (2004) estudaram os fatores que afetam a rejeição de alguns
contaminantes durante o tratamento com membranas de nanofiltração e osmose inversa. Foi
constatada a importância de se conhecer a interação entre as características físico-químicas da
membrana e do soluto (porosidade, peso molecular, morfologia, carga superficial, massa
molar de retenção nominal ou cut off, hidrofobicidade, entre outros) de acordo com a
composição da corrente de alimentação (pH, dureza etc) e demais condições operacionais.
A tabela 3.6 apresenta as principais diferenças entre os quatro tipos de membranas
citados.
54
Tabela 3.6 : Relação entre porosidade de membranas, pressão de operação e rendimento
total do processo
MEMBRANA
POROSIDADE
PRESSÃO
(bar)
MATERIAL
RETIDO
RENDIMENTO
Microfiltração
(MF)
0,1 µm – 0,2 µm
< 2 Protozoários,
bactérias,
vírus
(maioria),
partículas.
90 – 100%
Ultrafiltração
(UF)
1.000 – 100.000
D
2 – 10 Material
removido na
MF + colóides
+ totalidade de
vírus.
90%
Nanofiltração
(NF)
200 – 1.000 D 5 – 40 Íons divalentes
e trivalentes,
moléculas
orgânicas com
tamanho maior
do que a
porosidade
média da
membrana.
80 – 90%
Osmose
inversa
(OR)
< 200 D 8 – 200 Íons,
praticamente
toda a matéria
orgânica.
Dessalinização de
água do mar: 25 –
50%
Água de reuso de
efluente
secundário: 65 –
85%
µm = 1 x 10
-6
m D: Dalton, medida de peso molecular e um D corresponde ao peso molecular de um átomo de hidrogênio.
Fonte: SCHNEIDER E TSUTIYA, 2001.
A tabela 3.7 mostra a variação de alguns parâmetros de qualidade de acordo com o tipo
de membrana utilizada.
55
Tabela 3.7: Variação dos parâmetros de qualidade de acordo com o tipo de membrana
utilizada
PARÂMETROS MF UF NF
Remoção de sólidos suspensos excelente boa média
Redução de cor (%) - 65 98
Redução de turbidez (%) - 98 -
Remoção de orgânicos dissolvidos (%) Não aplicável 57 93 a 98
Remoção de orgânicos voláteis (%) Não aplicável baixa média
Remoção de óleos e graxas (%) >97 >97 >97
Remoção de DQO (%) - 72 a 90 -
Remoção de dureza (%) - 5 67
Remoção de inorgânicos dissolvidos (%) Não aplicável 2 a 9 20 a 80
Qualidade do produto excelente excelente boa
Fonte: Adaptado de MUSTAFÁ (1998).
TEODOSIU et al. (1999) utlilizaram membranas de ultrafiltração seguida de membranas
de osmose inversa para tratamento de efluentes de uma refinaria. Os efluentes passavam
previamente por um tratamento biológico cuja qualidade era inferior ao padrão requerido para
uso em torres de resfriamento. Houve redução de 98% da turbidez e de 30% de DQO após a
ultrafiltração que foi considerada uma boa alternativa para o pré-tratamento de efluentes com
essa finalidade.
BAYAT et al. (2004) verificaram que após o tratamento com membranas de
ultrafiltração houve uma remoção de aproximadamente 90% das bactérias existentes na água
subterrânea clarificada que era utilizada para fins de resfriamento.
BES-PIÁ et al. (2003) avaliaram a combinação do tratamento físico-químico com
membranas de nanofiltração para reuso de efluentes em indústria têxtil. Os resultados obtidos
foram satisfatórios e apresentaram valores para os parâmetros DQO e condutividade do
permeado menores que 100mg/L e 1000µS/cm respectivamente, atendendo às exigências
mínimas para reuso no processo de enxágüe.
A utilização de membranas no tratamento de efluentes requer alguns cuidados para
evitar a formação de depósitos de matéria orgânica e o crescimento de microrganismos.
56
Nos processos de separação com membranas, particularmente naqueles que utilizam
membranas porosas, mesmo com operação em fluxo cruzado, é comum observar uma queda
contínua do fluxo permeado com o tempo, indicando que outros fenômenos, além da
polarização de concentração, devem estar presentes durante o processamento. Este fenômeno
transiente, normalmente é acompanhado por um decréscimo na rejeição do soluto. É
importante ressaltar que nas operações em fluxo cruzado, em princípio, a polarização de
concentração se estabiliza nos instantes iniciais do processamento. Entretanto, a estabilização
do fluxo permeado, se chegar a ocorrer, pode demorar minutos, horas ou até alguns dias. Esta
variação continuada do fluxo permeado com o tempo é atribuída a possíveis alterações na
membrana provocada pelas espécies presentes na solução processada. O conjunto dessas
alterações é conhecido como fouling da membrana e, em alguns casos, pode levar a fluxos
permeados tão baixos que chega a inviabilizar uma dada aplicação, conforme ilustrado na
figura 3.11.
Figura 3.11: Variação do fluxo permeado com o tempo de operação ocasionada por
Polarização de Concentração e “Fouling”. Operação em Fluxo Cruzado
.
Fonte: HABERT et al., 2003.
57
Os principais efeitos de fouling sobre sistemas de membrana são: redução do fluxo,
diminuição da rejeição de solutos, aumento da quantidade de sais precipitados, maior
diferencial de pressão ao longo do canal de alimentação, contaminação do permeado,
biodeterioração de componentes do módulo, degradação química da membrana, aumento dos
custos com limpeza química, interrupções do processo e redução do tempo de uso da
membrana (BUHRMANN et al., 1999).
O fenômeno da concentração de polarização é reversível, ou seja, uma vez terminada a
operação e a limpeza da membrana a permeabilidade ao solvente puro é recuperada. Já os
fenômenos que constituem o fouling são considerados como sendo, total ou parcialmente
irreversíveis.
Os principais fenômenos que contribuem para o fouling são (HABERT et al., 2003):
• Adsorção das moléculas de soluto na superfície da membrana ou/e no interior de
seus poros devido a interações físico-químicas com o material da membrana;
• Entupimento de poros por moléculas ou partículas em suspensão. Trata-se da ação
mecânica de bloqueio de poros, que pode ocorrer tanto na superfície da membrana
como no seu interior, dependendo de sua morfologia.
• Depósito de material em suspensão sobre a superfície da membrana com
formação de uma torta de filtração. No caso de soluções de macromoléculas, na
região próxima à superfície da membrana, pode-se atingir uma concentração
suficientemente elevada, de modo a possibilitar a gelificação da solução nesta região.
Solutos de baixa massa molar, como sais, por exemplo, podem atingir o limite de
solubilidade e precipitarem na superfície da membrana.
A queda do fluxo permeado com o tempo é um problema inevitável. Entretanto,
existem algumas técnicas de operação que resultam em recuperação, ao menos parcial, do
fluxo permeado. A mais comum é a retrolavagem (Backflushing) que é a inversão, por um
intervalo curto de tempo, de sentido do fluxo permeado. Esta operação é realizada
58
automaticamente utilizando uma válvula solenóide e um circuito de bombeamento do
permeado. A figura 3.12 ilustra esta técnica.
Figura 3.12: Recuperação parcial de fluxo permeado usando a técnica de operação com
retrolavagem (“Backflushing”).
Fonte: HABERT et al., 2003.
Os efeitos de fouling podem ser minimizados a partir de uma otimização e controle dos
ciclos de operação e limpeza química periódica assim como da variação da pressão de
operação ao longo do tempo (GUADIX et al., 2004).
É importante considerar também como a eficiência dos pré-tratamentos existentes
interfere no mecanismo de fouling (SHON et al., 2004). Segundo FEEMA (2002), os
aspectos importantes no uso das membranas são:
59
• Permeabilidade – altas permeabilidades permitem altos fluxos do produto;
• Entupimento – uma membrana secundária ou camada bloqueadora pode-se formar
em volta da membrana original e controlar totalmente as propriedades do fluxo do
sistema;
• Solubilidade – no caso dos mecanismos de solução-difusão para a osmose inversa,
a solubilidade do permeante no material da membrana é vital;
• Volume/Arranjo – unidades compactas são desejáveis;
• Durabilidade – normalmente em plantas de UF as membranas duram mais de 2
anos e em plantas de osmose inversa para dessalinização mais de 5 anos;
• Custo – análises dos custos de plantas mostram que a troca de membranas é o
principal elemento do total custo anual da planta, atingindo em mais de 20% em
muitos sistemas.
Outras considerações importantes podem ser feitas no que diz respeito ao bom
funcionamento das membranas, tais como:
- Necessidade de um tanque pulmão para manter um regime de alimentação contínuo
nas membranas;
- Uso de pré-filtros (filtro de areia) antes e de um filtro de celulose descartável após o
tanque pulmão a fim de aumentar a proteção das membranas;
- Uso de polieletrólitos no tratamento físico-químico não é aconselhável pois pode
ocasionar problemas sérios de entupimento nas membranas.
Cabe ressaltar que a coagulação química também será considerada uma técnica de
tratamento terciário se for utilizada para polimento.
3.2 Avaliação das Alternativas Tecnológicas nos Programas de Reuso
As características dos efluentes industriais estão diretamente relacionadas à composição
das matérias-primas, ao tipo de água de abastecimento e ao processo industrial. Os
contaminantes presentes nestes efluentes têm concentrações que variam de acordo com a
eficiência do processo e com o consumo de água (GIORDANO, 2004). A escolha por uma
determinada tecnologia de tratamento para fins de reuso deve ser baseada nestas
características e para cada tipo de efluente, o ideal é que se realize um estudo de tratabilidade,
60
avaliando suas particularidades e a real possibilidade de aplicação dos equipamentos ou
sistemas propostos.
Alguns parâmetros de qualidade foram selecionados de acordo com as características
necessárias para o reuso de água em torres de resfriamento. A tabela 3.8 apresenta a descrição
de tais parâmetros e o método de análise utilizado durante os experimentos.
61
Tabela 3.8: Características físicas, químicas e biológicas dos efluentes industriais
PARÂMETRO UNIDADE DESCRIÇÃO MÉTODO
(AWWA)
Alcalinidade total mg/L Indica a capacidade tampão do meio. SM 2320 (B)
Cloreto mg/L Indica contaminação por esgoto e salinidade. SM 4500 Cl
-
Colimetria NMP/100mL Pesquisa microbiológica. SM 9221
Condutividade mS/cm Relação com a concentração de sais nos efluentes. SM 2510 (B)
Cor uH Relacionada a corantes orgânicos e inorgânicos
(metais pesados), compostos húmicos e outros
subprodutos de biodegradação.
SM 2120 (B);
GIORDANO,
1999a)
DBO mg/L Quantidade de oxigênio requerida para estabilizar
a matéria orgânica biodegradável dissolvida ou
coloidal. Medida indireta da MO.
SM 5210 (B)
Demanda de cloro mg/L Quantidade de cloro a ser adicionada a um despejo
para que se tenha um residual padrão após 10
minutos de contato. Estimativa do teor de MO.
SM 4500 Cl
-
DQO mg/L Quantidade de oxigênio requerida para estabilizar
quimicamente a matéria orgânica dissolvida ou em
suspensão. Medida indireta da MO.
SM 5220 (B)
Dureza de cálcio mg/L Soma de cátions polivalentes presentes na água.
Associada à incrustação em sistemas de
resfriamento.
SM 2340 (C)
Nitrogênio
amoniacal
mg/L Produzido no primeiro estágio da decomposição
do nitrogênio orgânico (contaminação recente).
SM 4500 NH
3
+
pH Condições ácidas ou alcalinas de um despejo. SM 4500 H
+
(B)
Sólidos totais (ST) mg/L A composição de cada forma expressa direta ou
indiretamente os outros poluentes.
SM 2540 (B)
Sólidos totais fixos
(STF)
mg/L matéria inorgânica SM 2540 (E)
Sólidos totais
voláteis (STV)
mg/L matéria orgânica SM 2540 (E)
Sólidos suspensos
(SS)
mg/L matéria orgânica e inorgânica com diâmetro maior
que 0,45 µm.
SM 2540 (D)
Sólidos suspensos
fixos (SSF)
mg/L matéria inorgânica coloidal e com diâmetros
superiores.
SM 2540 (E)
Sólidos suspensos
voláteis (SSV)
mg/L matéria orgânica ou biomassa SM 2540 (E)
Sólidos dissolvidos
totais
mg/L matéria orgânica e inorgânica com diâmetro
menor que 0,45 µm.
SM 2540 (C)
Sólidos dissolvidos
fixos (SDF)
mg/L sais e óxidos solúveis SM 2540 (E)
Sólidos dissolvidos
voláteis
mg/L matéria orgânica dissolvida SM 2540 (E)
Sulfato mg/L É precursor dos sulfetos em meio anaeróbio. SM4500 SO
4
2-
(E)
Turbidez uT Indica a transparência dos efluentes. SM 2130 (B)
NMP= número mais
provável
uT = unidade de toxicidade
Fonte: APHA, AWWA, WEF, 1999. GIORDANO, G., 2003. MACÊDO, 2003.
62
4. METODOLOGIA
O presente estudo foi desenvolvido a partir da coleta de amostras provenientes da estação
de tratamento de efluentes de uma indústria farmacêutica. O sistema que já se encontrava em
funcionamento era composto por:
1. Tratamento preliminar composto por peneiramento, gradeamento e caixa de gordura;
2. Tratamento primário composto por coagulação química e flotação para o tratamento de
efluentes oleosos gerados durante a produção da linha de cremes e no restaurante
interno da fábrica. Outro tratamento primário composto por coagulação química e
sedimentação era utilizado para o tratamento de efluentes com elevada concentração de
sais contendo principalmente magnésio;
3. Tratamento biológico com lodos ativados.
As duas correntes de efluentes geradas após tratamento primário eram encaminhadas para o
tanque de equalização assim como o restante dos efluentes gerados no processo industrial. Após
equalização, os efluentes eram encaminhados para o tanque de aeração que recebia também o
esgoto sanitário da fábrica.
O efluente tratado da ETE era também submetido a um tratamento adicional, em uma
unidade de ultrafiltração, a qual foi instalada em 2003 com objetivo de reuso de água e
conseqüente minimização da quantidade de efluente lançada nos corpos receptores.
Na unidade de Ultrafiltração eram obtidas duas correntes, o rejeito que retornava para o
tanque de aeração, e o permeado que era direcionado para o reservatório de água para uso
industrial, para ser posteriormente enviado para as torres de resfriamento ou para lavagens de
pisos e irrigação de áreas verdes.
A figura 4.1 apresenta a ETE existente de forma simplificada.
63
ESGOTO
SANITÁRIO
Figura 4.1: Processo de Tratamento de Efluentes de Indústria Farmacêutica
Fonte: Adaptado do material cedido pela Tecma.
64
4.1 Descrição da Parte Experimental
Para os ensaios foram coletadas amostras compostas na saída do decantador
secundário e na saída do sistema de reuso composto pela membrana de ultrafiltração.
Parte da amostra coletada na saída do decantador secundário foi analisada no laboratório
e na outra parte foram realizados Jar Tests a fim de simular o tratamento físico-químico.
A amostra tratada gerada no Jar Test foi também analisada, assim como a amostra do
permeado da ultrafiltração. A figura 4.2 apresenta resumidamente a metodologia
descrita anteriormente. No presente estudo, este procedimento foi seguido cinco vezes,
durante os meses de Setembro e Outubro de 2004, gerando um total de 15 amostras.
As condições operacionais do processo industrial não ocasionaram variações
significativas neste estudo porque as coletas foram realizadas num intervalo de tempo
relativamente curto e, principalmente devido ao tempo de residência projetado para o
tanque de equalização e para o sistema biológico ser de 48 e 24 horas, respectivamente.
Decantador
Secundário
Coleta da
amostra para
Jar Test
Coleta p/ análise
da amostra UF
para reuso
Membrana UF
Tanque do
Pré-Filtro
Coleta para
análise da
amostra
Análise da
amostra
tratada
Figura 4.2: Fluxograma da metodologia proposta
65
4.1.1. Tratamento Físico-Químico – Jar Test
Neste trabalho, os ensaios no Jar Test permitiram definir a quantidade de produto
químico utilizada, os aspectos do lodo gerado e o teor de sais dissolvidos do efluente
clarificado.
- Materiais, equipamentos e reagentes
Foram utilizados os seguintes equipamentos e ou materiais:
• Agitador tipo Jar Test, para seis provas, marca Phipps & Bird Stirrer 7790-400
• Béqueres de 2000 mL e 2500 mL
• Béqueres de 100 mL e 200 mL
• Potenciômetro Digimed DM 2
• Turbidímetro Solar Instrumentação SL 2K
• Pipetadores automáticos
• Provetas de 5 mL
• Termômetros
• Cronômetro
• Cone de Imhoff
• Bastão de vidro
• Máquina fotográfica digital
• Solução de sulfato de alumínio (10 g/L)
• Solução de polieletrólito catiônico (0,1%)
Os ensaios foram realizados em Equipamento de Reatores Estáticos, composto por
seis bécheres, com capacidade de dois litros. O coagulante utilizado em todos os
experimentos foi o sulfato de alumínio e um polieletrólito catiônico fraco foi adicionado
como auxiliar de floculação.
A escolha da dosagem de sulfato de alumínio e de polieletrólito foi determinada
tomando como referência algumas literaturas especializadas sobre tratamento de água e
a partir de alguns ensaios simulados no laboratório. Durante os experimentos, a faixa de
concentração de coagulante químico utilizada variou de 5 a 30 mg/L.
66
No caso do auxiliar de floculação optou-se por utilizar um volume constante do
polieletrólito catiônico a 0,1% visto que a adição deste não proporcionava variações e
melhorias significativas no processo. O ajuste de pH também não foi necessário pois
este permaneceu próximo da neutralidade em todos os bécheres. A tabela 4.1 apresenta
os volumes de produtos químicos utilizados durante a execução dos experimentos.
Tabela 4.1: Dosagens dos produtos químicos utilizados na execução do Jar Test
Ensaio VAl
2
(SO
4
)
3
(ml)
[Al
2
(SO
4
)
3
]
(mg/L)
Vpolieletrólito
(ml)
1 1,00 10 1,00
2 0,50 5 1,00
3 0,50 5 1,00
4 2,00 20 1,00
5 3,00 30 1,00
Na figura 4.3 é mostrada uma foto esquemática do experimento.
Figura 4.3: Foto esquemática do experimento
EQUIPAMENTO
ESTÁTICO
JAR TEST
COAGULANTE QUÍMICO
POLIELETRÓLITO
PIPETADORES
AUTOMÁTICOS
O procedimento convencional do Jar Test foi ajustado e procedeu-se na sequência
e de acordo com as seguintes etapas:
67
Etapa 1
• Os reagentes foram preparados nas concentrações determinadas previamente.
Mediu-se a temperatura do laboratório e o pH e a temperatura da amostra.
Etapa 2
• Um litro de amostra homogeneizada foi colocada em cada um dos seis bécheres,
conforme ilustrado na figura 4.4. Em seguida, foi ligada a agitação rápida do
aparelho e iniciado o processo de adição de coagulante e polieletrólito. Os bécheres
foram agitados numa velocidade rápida (v = 365 rpm) por 2 minutos e depois numa
velocidade lenta (v = 4 rpm) por 15 minutos. O tempo de sedimentação foi de 20
minutos.
Figura 4.4: Equipamento Estático (Jar Test) com amostra
68
Etapa 3
• O pH foi medido em todos os bécheres e no becher que apresentou a melhor
clarificação foi registrada a concentração de coagulante utilizada. Devido à
dificuldade de visualização durante os ensaios, a turbidez foi medida em todos os
bécheres a fim de determinar a amostra ótima.
Etapa 4
• O procedimento foi repetido utilizando uma quantidade de amostra dobrada e para a
dosagem ótima de coagulante determinada anteriormente. Após o Jar Test a amostra
tratada foi colocada em um cone Imhoff a fim de obter a quantidade de lodo gerada.
• A quantificação do lodo foi obtida deixando-se em repouso 1 litro de amostra
homogeneizada durante 1 hora. A tendência do lodo para flotar ou sedimentar foi
verificada, assim como o volume de lodo gerado em mL/L.
• Em seguida a amostra clarificada sobrenadante foi coletada e foram feitas análises
dos parâmetros desejados da amostra.
A fim de complementar o Jar Test os parâmetros abaixo foram analisados pelos
técnicos do Laboratório de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Estadual
do Rio de Janeiro (UERJ) seguindo as normas contidas no manual Standard Methods
for the Examination of Water and Wastewater listadas nos anexos do presente estudo.
• Condutividade
• Sólidos Suspensos Totais
• Sólidos Dissolvidos Totais
• Turbidez
• Cor
• pH
• DBO
69
• DQO
• Teor de sulfato
• Cloretos
• Dureza
• Alcalinidade Total
• Amônia
4.1.2 Tratamento com Membranas de Ultrafiltração
O sistema de ultrafiltração estudado era composto por membranas da marca
Osmonics composto por polisulfona (material polimérico orgânico) e com capacidade
para tratar até 10m
3
/h de efluente. O sistema operava à temperatura ambiente e à
pressão de 100 psi. A figura 4.5 mostra o lay-out e as figuras 4.6a e 4.6b ilustram
detalhadamente o sistema de reuso completo instalado na indústria farmacêutica em
questão.
Figura 4.5: Lay-out do Sistema de Reuso de Água em Indústria Farmacêutica
Fonte: Material cedido pela Tecma.
70
Figura 4.6a: Sistema de Reuso de Água – Ultrafiltração
Fonte: Material cedido pela Tecma.
Figura 4.6b: Sistema de Reuso de Água – Membranas de Ultrafiltração
Fonte: Material cedido pela Tecma.
71
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os ensaios realizados no presente estudo geraram efluentes bastante clarificados
tanto nas amostras que passaram por tratamento físico-químico quanto nas amostras
submetidas ao processo de filtração em membranas. As figuras 5.1 a 5.4 mostram os
aspectos das amostras geradas em cada etapa do experimento.
Figura 5.1: Comparação entre efluente do decantador e permeado da membrana
de ultrafiltração
Figura 5.2: Comparação entre efluente do decantador e efluente após o Jar Test
72
Figura 5.3: Comparação entre efluente após o Jar Test e permeado da
ultrafiltração
Figura 5.4: Comparação entre os três tipos de amostra estudadas: D – amostra
proveniente do decantador secundário, J – amostra após o Jar Test e M -
permeado da ultrafiltração.
Os resultados das análises laboratoriais permitiram definir os parâmetros mais
significativos para o efluente estudado, tais como: teor de sulfato, sólidos dissolvidos
totais (SDT), sólidos suspensos totais (SST), turbidez e cor. O comportamento destes
parâmetros durante os experimentos foi avaliado conforme comentários a seguir.
A tabela 5.1 mostra a variação da concentração de sulfato em todas as etapas
descritas na metodologia, ou seja, após o decantador secundário, após a membrana de
ultrafiltração e após o Jar Test. A redução da concentração de sulfato após a
73
ultrafiltração pode ser atribuída a fração insolúvel deste ânion. No caso dos resultados
obtidos após o Jar Test verifica-se um aumento na concentração do sulfato. Este
resultado é decorrente da dosagem de sulfato de alumínio no processo de coagulação
química. Cabe ressaltar que a adição de sais nesta etapa não foi um agravante porque
neste caso especificamente foi utilizado um pequeno volume de coagulante químico.
A adição deste coagulante também contribuiu para a reação de hidrólise ácida
reduzindo levemente o pH e a alcalinidade, conforme mostra a tabela 5.2. Deve ser
ressaltado que o monitoramento da corrosão, a dosagem de produtos químicos na
coagulação e as características corrosivas ou incrustantes da água são extremamente
influenciadas por este parâmetro.
Tabela 5.1: Resultados das análises do teor de sulfato por tipo de tratamento
Sulfato (mg/L)
Ensaio
Após
Decantador
Após UF
Após Jar
Test
1
43 32 47
2
15 5 17
3
16 2 43
4
59 57 66
5
50 40 108
MÉDIA 37 27 56
74
Tabela 5.2: Análises complementares por tipo tratamento
Parâmetro Ensaio
Decantador
Após UF Após Jar Test
1
7,30 7,40 7,30
2
7,50 7,50 7,60
3
7,60 7,30 7,60
4
7,60 7,80 7,60
5
6,70 7,30 6,00
Média
7,34 7,46 7,22
1
82 71 78
2
95 84 89
3
155 85 153
4
106 124 107
5
65 61 27
Média
101 85 91
1
40 36 36
2
36 32 32
Dureza 3
32 35 33
(m
Após
g
CaCO3/L) 4
80 64 58
5
60 40 48
Média
50 41 41
1
689 659 666
2
696 667 687
3
821 687 801
4
689 689 695
5
634 501 717
Média
706 641 713
1 0,2 0,2 0,2
2 0,4 <0,2 0,2
3 0,2 0,2 0,2
4 <0,2 <0,2 <0,2
5 <0,2 <0,2 <0,2
Média
0,27 0,20 0,20
1
57 56 55
2
64 62 60
3
68 70 66
4
66 59 60
5
63 44 62
Média
64 58 61
1 42 4
2 22 2
3 22 2
4 77 5
5 22 2
Média
33 3
1
31 23 31
2
40 26 31
3
25 17 26
4
27 16 16
5
45 17 16
Média
34 20 24
Condutividade
(
µ
S/cm)
Cloreto (mg Cl
-
/L)
Nitrogênio
Amoniacal
(mg N-NH
4
+
/L)
pH
DQO (mg/L)
DBO (mg/L)
Alcalinidade Total
(mg CaCO
3
/L)
75
Em relação à concentração de sólidos dissolvidos totais, as membranas também
apresentaram os melhores resultados. Houve redução deste parâmetro após o Jar Test,
mas isto não ocorreu de forma constante em todos os ensaios. O tratamento físico-
químico não foi capaz de absorver a possível variação na qualidade do efluente
alimentado e parte da carga de sais adicionados com o uso do coagulante químico. A
tabela 5.3 apresenta a variação de sólidos dissolvidos totais.
Tabela 5.3: Resultados das análises de sólidos dissolvidos totais por tipo de
tratamento
SDT (mg/L)
Ensaio
Após
Decantador
Após UF
Após Jar
Test
1
578 512 510
2
568 508 556
3
604 491 600
4
506 492 572
5
502 452 528
MÉDIA 552 462 553
É importante ressaltar que a concentração de sólidos dissolvidos totais (SDT) é
um parâmetro restritivo para o uso de água em diversas aplicações industriais e existe
uma limitação dentre os processos de tratamento de efluentes para remoção deste
contaminante. Além disso, este parâmetro tende a aumentar à medida que o efluente é
reutilizado já que uma carga adicional de sais é incorporada através da adição de
produtos químicos e da evaporação.
As análises de turbidez mostraram claramente a dificuldade encontrada durante a
execução do Jar Test. O método de visualização para a escolha da melhor dosagem de
coagulante não foi possível face aos pequenos volumes utilizados e semelhança entre as
amostras tratadas. A turbidez foi utilizada para este fim, mas também oscilou bastante e
os ensaios precisaram ser repetidos algumas vezes até que a dosagem ótima fosse
estabelecida.
76
A clarificação se mostrou como uma operação de difícil controle. Na maior parte
dos ensaios, os flocos não foram formados da maneira adequada e a sedimentação
ocorreu de forma bastante lenta.
No caso da ultrafiltração os resultados foram satisfatórios. Houve redução
significativa da turbidez o que demonstrou a maior confiabilidade desta técnica.
A tabela 5.4 apresenta o comportamento da turbidez ao longo dos experimentos.
Tabela 5.4: Resultados das análises de turbidez por tipo de tratamento
Turbidez (NTU)
Ensaio
Após
Decantador
Após UF
Após Jar
Test
1
6,0 2,0 3,0
2
17,0 3,0 7,0
3
5,0 1,0 7,0
4
6,9 0,8 8,0
5
9,8 2,0 2,6
MÉDIA 8,9 1,8 5,5
Da mesma forma que a turbidez, os sólidos suspensos totais também apresentaram
características oscilatórias após o Jar Test. No caso da ultrafiltração, foi possível
constatar um aumento na concentração deste parâmetro ao longo dos ensaios 2 e 3. Isto
pode ter sido ocasionado pela perda de carga após a filtração o que gerou a
desestabilização de material orgânico coloidal. Na tabela 5.5 estão apresentados os
resultados obtidos para esse parâmetro.
77
Tabela 5.5: Resultados das análises de sólidos suspensos totais (SST)
SST (mg/L)
Ensaio
Após
Decantador
Após UF
Após Jar
Test
1
12 6 34
2
14 16 16
3
2 4 16
4
32 5 4
5
56 0 20
MÉDIA 23 6 18
A tabela 5.6. mostra que houve redução da cor na maior parte dos ensaios sendo
que os melhores resultados foram obtidos após a ultrafiltração.
Tabela 5.6: Resultados das análises da cor por tipo de tratamento
Cor (mg Pt/L)
Ensaio
Após
Decantador
Após UF
Após Jar
Test
1
40 35 50
2
60 40 50
3
30 20 30
4
40 8 35
5
35 15 3
MÉDIA 41 24 34
Paralelamente ao Jar Test, foram feitas medições da quantidade de lodo gerado
com a coagulação através do método de decantação em cone Imhoff. A sedimentação
do lodo ocorreu de forma bastante lenta e instável. Para 1 litro de amostra tratada, a
quantidade de lodo gerada após 1 hora de sedimentação no cone Imhoff foi bastante
variável, compreendendo uma faixa de 0,02 até 21 mL/L.
78
A tabela 5.7 e a figura 5.5 mostram a dosagem de produtos químicos utilizada em
cada ensaio e o volume de lodo gerado. Embora a dosagem de coagulante tenha sido a
mesma nos ensaios 2 e 3 observa-se um aumento do volume de lodo, o que mostra a
dificuldade encontrada no ajuste da dosagem ótima de sulfato de alumínio.
Tabela 5.7: Dosagem de produtos químicos X Volume de lodo gerado
Ensaio VAl
2
(SO
4
)
3
(ml)
[Al
2
(SO
4
)
3
]
(mg/L)
Vpolieletrólito
(ml)
V lodo
gerado (ml)
1 1,00 10 1,00 0,02
2 0,50 5 1,00 0,03
3 0,50 5 1,00 1,00
4 2,00 20 1,00 6,00
5 3,00 30 1,00 21,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Volume (mL)
Ensaio
Vcoagulante
1,00 0,50 0,50 2,00 3,00
Vlodo gerado
0,02 0,03 1,00 6,00 21,00
12345
Figura 5.5: Comparação entre os volumes de coagulante utilizado e lodo gerado
após o Jar Test
As figuras 5.6 e 5.7 apresentam os aspectos do lodo gerado antes e após 1 hora
de sedimentação no método de decantação em cone Imhoff.
79
MATERIAL EM
SUSPENSÃO
Figura 5.6: Quantificação do lodo – Cone Imhoff no início do experimento
LODO GERADO
ÁGUA
CLARIFICADA
Figura 5.7: Quantificação do lodo – Cone Imhoff no final do experimento (após 1
h)
A quantificação dos sólidos suspensos totais também foi feita antes e após uma
hora de sedimentação em Cone Imhoff, conforme ilustrado na tabela 5.8. Na
metodologia utilizada aproximadamente 200 mL da amostra tratada foram coletados
80
imediatamente após o Jar Test e outra parte da amostra foi coletada após 1 hora de
sedimentação em Cone Imhoff.
Tabela 5.8: Variação da quantidade de sólidos em suspensão antes e após 1 hora de
sedimentação em Cone Imhoff
SST (mg/L)
ANTES APÓS 1 HORA
46 34
68 16
206 16
22 4
28 20
81
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Neste estudo foi utilizado um efluente clarificado com boas características,
proveniente de uma estação de tratamentos de efluentes a nível secundário que
apresentava bom desempenho, qualidade e regularidade. Este fato por um lado
favoreceu a técnica de filtração em membranas e por outro lado criou dificuldades
durante o processo de clarificação físico-química.
A clarificação físico-química é menos vulnerável em relação à variação de carga
mas as unidades devem ser dimensionadas prevendo os custos gerados a partir do
consumo de produtos químicos e para o tratamento e disposição do lodo gerado. Para o
efluente estudado o consumo de coagulante químico foi pequeno e, desta forma, não
houve gasto significativo e a conseqüente adição de sais também não gerou oscilações
importantes em outros parâmetros estudados.
Como já era esperado, a simulação da coagulação química em escala laboratorial
mostrou que o Jar Test é um teste eficaz, com eficiência comprovada no que diz
respeito à obtenção de dados e boas estimativas para o processo em escala real.
Durante os experimentos foi observada uma grande dificuldade no controle da
sedimentação e geração do lodo. O consumo de coagulante foi pequeno mas variou
bastante em todos os ensaios. A sedimentação ocorreu de forma lenta devido à presença
de flocos leves, desagregados, com bolhas de ar em seu interior e constituídos
principalmente de material orgânico coloidal (resíduos de flocos biológicos). A
quantidade de lodo gerada também oscilou bastante assim como a quantidade de sólidos
no efluente clarificado.
No caso da filtração em membranas o principal inconveniente é o arraste de
sólidos após o decantador secundário. Esse arraste deve ser evitado ao máximo para que
não haja fouling na membrana e parada do sistema. Isto pode ser feito através do uso de
pré-filtros eficientes e de um controle operacional da estação de tratamento de efluentes
cuja capacidade de absorver variações na carga e na qualidade do efluente alimentado é
imprescindível.
82
Em geral, ambos os tratamentos geram água de boa qualidade. A ultrafiltração
destaca-se como uma técnica de alta confiabilidade, possui fácil operação mas por outro
lado é extremamente influenciada pela estabilidade da estação de tratamento de
efluentes. Esta deve ser dimensionada corretamente, possuir instalações adequadas e ter
alto controle operacional, a fim de garantir um desempenho constante já que os efeitos
recaem diretamente sobre a membrana. Os filtros e pré-filtros devem ter suas dimensões
otimizadas e garantir alta eficiência.
Para uma análise da viabilidade econômica deve-se considerar os custos da água
fornecida pela concessionária local, custos do tratamento e descarte de efluentes antes e
depois da implantação dos sistemas de reuso incluindo os investimentos necessários e os
custos operacionais.
Recomendações:
- Realizar estudos experimentais utilizando amostras de diversos tipos de
efluentes industriais, em maior número e num período de amostragem mais
longo;
- Estudar outros tipos de coagulantes químicos e avaliar a influência destes nos
parâmetros de qualidade da água;
- Desenvolver estudos experimentais para avaliar a eficiência da flotação a partir
de ensaios em Floteste;
- Realizar estudos experimentais utilizando outros tipos de membranas a fim de
obter parâmetros de custo e eficiência;
- Estabelecer programas de pesquisas para aprimorar os parâmetros de operação e
adequá-los aos diferentes tipos de água tratados a fim de reduzir os custos de
operação dos sistemas de membrana;
- Determinar padrões de qualidade próprios para fins de reuso a partir de ensaios
laboratoriais e em escala piloto a fim de atender ao mercado nacional.
- Estabelecer uma legislação específica para o reuso de água para diversas
aplicações incluindo diretrizes e critérios para a qualidade da água.
83
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