coagulável
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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO – UPF FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - FEAR PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DISCIPLINA: TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE EFLUENTES Prof. Marcelo Hemkemeier Prof. Paulo Roberto Koetz PASSO FUNDO/RS SETEMBRO/2009 CONCEITOS BÁSICOS • Dispersões soluções (<10Å) dispersões coloidais (10-1000Å) suspensões (>1000Å) • Distribuição dos poluentes: sólidos dissolvidos Sólidos totais sólidos suspensos fixos voláteis fixos voláteis CONCEITOS BÁSICOS • Aplicações no tratamento de efluentes: – – – – Caracterização de efluentes; Monitoramento da planta de tratamento; Identificação da DBO nas diferentes fases; Determinação da biomassa (sólidos voláteis – 7085% dos sólidos totais); CONCEITOS BÁSICOS • Escolha do tipo de tratamento físicoquímico: • Relação DBO/DQO(Tendendo a 1 – proc. biológico) • Relação SSV/SV >80%: Decantação simples, flotação, precipitação química com coagulante ou variação de pH; • Relação SDV/SV >80%: Adsorção com carvão ativo, oxidação química, precipitação química com elevação de pH; CONCEITOS BÁSICOS Hidrofílicos • Tipos de colóides Hidrofóbicos • Estado coloidal Sol Gel Emulsão Aerosol CONCEITOS BÁSICOS •Reações de Oxi-Redução: provocam variação real ou teórica de um átomo – Oxidante: quem provoca a oxidação e por consequência se reduz (ganha elétrons); – Redutor: quem provoca a redução e por consequência se oxida (perde elétrons); •Potencial de Oxi-Redução (POR): é a medida da capacidade de oxidação ou redução de uma substância/efluente CONCEITOS BÁSICOS • Produtos químicos utilizados: – Precipitantes químicos – Auxiliares de floculação Sulfato de alumínio (+cal) Cloreto férrico (+cal) Polieletrólito catiônico Cal Tanino Polímeros (aniônico, catiônico, neutro) Silica ativada CONCEITOS BÁSICOS • Produtos químicos utilizados: – Correção de pH (efluente alcalino) – Correção de pH (efluente ácido) Gás carbônico Ácido sulfúrico Ácido clorídrico Cal hidratada Carbonato de cálcio Hidróxido de sódio CONCEITOS BÁSICOS • Produtos químicos utilizados: – Oxidantes Cloro Peróxido Ozônio – Redutores Bissulfito de sódio Dióxido de enxofre Metabissulfito de sódio CONCEITOS BÁSICOS • Produtos químicos utilizados: – Remoção de fósforo – Remoção de cor Sulfato de alumínio Cloreto férrico + cal Cal Cloro Ozônio Carvão ativo Coagulantes CONCEITOS BÁSICOS • Utilização recomendável dos Processos Físico-Químicos: – Poluentes inorgânicos dissolvidos ou não; – Metais pesados; – Óleos e graxas; – Cor; – Matéria orgânica não biodegradável tóxica CONCEITOS BÁSICOS • Mecanismo de escolha do processo de tratamento: RELAÇÃO DQO/DBO DQO < 2xDBO – Proc. Biológico DQO < 3-4xDBO – Proc. Físico-Químico CONCEITOS BÁSICOS Tabela 1. Coagulantes mais usados Coagulante Alúmen Al2(SO4)3.18H2O Aluminato Sódico – Na2Al2O4 Sulfato Ferroso– FeSO4.7H2O Coag. Férricos.Fe2(SO4)3; FeCl3 Óxido de magnésio - MgO Observações É o mais empregado pH 5,5 – 8,0 Junto c/ o alúmen p/ descolorir águas residuais Adiciona-se álcalishidróxidos de ferro. Os flocos não se dissolvem em solns. muito alcalinas --- > 8,0 Elimina a sílica solúvel 1,5 – 11,0 4,0 – 11,0 9,5 CONCEITOS BÁSICOS Tabela 2. Coadjuvantes/auxiliares mais usados Aniônicos carboxílicos Grupos sulfônicos fosfóricos Catiônicos aminas quaternárias fosfaminas sulfaminas Não-iônicos poliálcoois poliésteres poliamidas CONCEITOS BÁSICOS • Rotina para escolha do processo de tratamento: Amostra do efluente bruto Caracterização: DQO, DBO, sólidos Jar test Efluente tratado Cálculo da eficiência Análise de custos COAGULAÇÃO • Mecanismos de coagulação: – Compressão da camada difusa; – Adsorção e neutralização de cargas; – Varredura; – Adsorção e formação de pontes; COAGULAÇÃO • Compressão da camada difusa: – Introdução de um eletrólito de carga oposta a do colóide, aumentando a densidade de cargas na camada difusa, ocorrendo a coagulação por compressão da camada difusa; – Aspectos: quantidade de eletrólitos é independente da concentração de colóides e não é possível a reversão do processo; – Efeito eletrostático; – Mecanismo associado principalmente aos sais de Al e Fe. COAGULAÇÃO • Adsorção e neutralização de cargas: – Espécies químicas capazes de adsorver na superfície do colóide, resultando em interações (ligações); – Estes fenômenos são superiores aos eletrostáticos; – Aspectos: dosagens menores para desestabilização; quantidades estequiométricas; possibilidade de reversão; – Importante quando remoção de partículas desestabilizadas ocorre em meio filtrante. COAGULAÇÃO • Varredura: – Dependendo do pH, dosagem do coagulante poderá ocorrer a formação de precipitados (Al(OH)3 e Fe(OH)3) ; – Mecanismo utilizado quando a floculação é seguida de decantação ou flotação antes da filtração; – Aspectos: dosagens maiores, faixa de pH mais estreita; o potencial zeta mínimo não corresponde às regiões ótimas de coagulação. COAGULAÇÃO • Adsorção e formação de pontes: – Mecanismo baseado na adsorção dos coagulantes à superfície das partículas coloidal, seguida pela redução da carga ou pelo “entrelaçamento” das partículas pelos polímeros ; – Coagulantes são polímeros naturais ou sintéticos de cadeia longa (polieletrólitos). Comparação entre os mecanismos de coagulação Diagrama de coagulação do sulfato de alumínio Mecanismos de coagulação e floculação COAGULAÇÃO • Mistura rápida entre o coagulante e o efluente provocando a hidrolisação, polimerização e reação com alcalinidade; • Formação do gel e desestabilização das cargas (potencial zeta tendendo a zero); • Tempo de reação = 1s; • Mistura: misturadores hidráulicos ou mecânicos; • Tempo de residência: 0,5 à 1,5min; • Gradiente de velocidade: 500-1500s-1. COAGULAÇÃO FLOCULAÇÃO • Unidade de mistura lenta; • Objetiva-se transformar o coágulo em partículas maiores, denominadas flocos; • Gradiente de velocidade: 20-80s-1; • Tempo de residência: 30min; • Uso de auxiliares de coagulação (polieletrólitos); • Floculadores hidráulicos ou mecânicos (velocidade não superior a 0,45m.s-1. FLOCULAÇÃO Estação compacta – sistema de flocodecantação seguido de filtração Estação compacta – sistema de flocodecantação seguido de filtração ELETRÓLISE • Histórico; • Eletrólise: Transformações químicas que ocorrem nos eletrodos e no meio onde estão inseridos pela passagem da corrente elétrica; • Tratamento eletrolítico: aplicação da eletrólise ao tratamento de efluentes; • O efluente é submetido uma diferença de potencial elétrico por conjuntos de eletrodos; ELETRÓLISE • Mecanismos: • Eletrofloculação; • Eletroflotação; • Eletroxidação. • Eletrodo positivo: anodo; • Eletrodo negativo: catodo ELETRÓLISE Arranjos de eletrodos ELETRÓLISE Arranjos de eletrodos ELETRÓLISE Arranjos de eletrodos ELETRÓLISE • Aplicações do processo eletrolítico: • Remoção de metais; • Remoção de DQO/DBO (coagulável); • Remoção de substâncias recalcitrantes. • Efluentes: • • • • • Galvanoplastia; Hospitalares; Chorume; Abatedouros; Indústria petroquímica. ELETRÓLISE • Principais vantagens: • Não geração de odores; • Menor área; • Facilidade e flexibilidade no controle do processo de tratamento; • Menor quantidade de lodo; • Remoção significativa de macronutrientes; • Baixo custo de implantação; • Ideal para pequenas vazões. • Principais desvantagens: • Custo de tratamento (alto consumo de energia e de eletrodos); • Dificuldade de remover DQO/DBO solúvel. PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA • Oxidar compostos orgânicos complexos a moléculas simples, ou até mesmo mineralizá-las • Baseado na geração de radical hidroxila (OH.), altamente oxidante e não seletiva. PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA •Classificação Sistema Com irradiação Sem irradiação O3/H2O2/UV Homogêneo O3/UV O3/H2O2 H2O2/UV Fe(II)/H2O2 Fe(II)/H2O2/UV Heterogêneo semicondutor/UV semicondutor/H2O2/UV PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA •Processos Homogêneos : •Fotólise de peróxido de hidrogênio (H2O2/UV); h H 2O2 2 HO . •Ozonização (O3/H2O2;O3/UV;O3/H2O2/UV); h O3 H 2O H 2O2 O2 h H 2O2 2HO . PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA Fe2+ + H2O2 Fe3+ + H2O2 HO. + RH R. + H2O2 HO. + Fe2+ FENTON Fe3+ + OH- + HO. Fe2+ + HO2. + H+ R. + H2O ROH + HO. HO- + Fe3+ PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA FOTO-FENTON Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + HO. Fe3+ + H2O + hv Fe2+ + HO. + H+ ( = 580 nm) PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS • Principais utilizações: – Efluentes recalcitrantes (chorume, textil, químico); – Remoção de substâncias específicas (fenóis, HCN, H2S); – Biorremediação de solos. ELETRODIÁLISE • O efluente é submetido uma diferença de potencial elétrico por dois eletrodos; • Existência de membranas seletivas; • Utilizada na dessalinização e desmineralização de águas; • Método promissor na eliminação de nitrogênio e fósforo; • Necessita pré-tratamento eficiente. ELETRODIÁLISE OSMOSE REVERSA • Aplicação de força superior a pressão osmótica da solução no compartimento de solução concentrada; • Aplicação restrita no tratamento de efluentes industriais; • Reuso; • Necessita pré-tratamento rigoroso. OSMOSE REVERSA OSMOSE REVERSA CARVÃO ATIVO • Fixação de poluentes por adsorção na superfície; • Material adsorvente possui área superficial elevada devido a porosidade; • Remoção: cor, matéria orgânica dissolvida, fenóis, nutrientes e sólidos em suspenão; • Sistemas são utilizados após sistemas de filtração com areia; • Tempo de residência: 15-40min; • Vantagem: capacidade de regeneração; • Outras substâncias adsorventes: turfa, cinzas, areia, casca de extração de tanino. CARVÃO ATIVO Filtro de carvão ativo TROCA IÔNICA • Fixação, em uma superfície sólida (fase estacionária), de íons, que se trocam por íons da solução de outra espécie (fase móvel); • Vantagem: Capacidade de regeneração; • Utilização em processos de galvanoplastia. TROCA IÔNICA Troca iônica: Esquema TROCA IÔNICA Troca iônica: efluente de galvanoplastia TROCA IÔNICA REMOÇÃO DE FÓSFORO • Precipitação química: – Fe3+ + PO43- – 3Ca2+ + 2P43– Al3+ + PO43- FePO4 (E=90%) E=95% Ca3(PO4)2 (E=50%) AlPO4 (E=95%) •Dosagens devem ser determinadas experimentalmente. REMOÇÃO DE NITROGÊNIO E FÓSFORO Esquema para remoção de fósforo e nitrogênio REFERÊNCIAS • Di BERNARDO, L.; DI BERNARDO, A. & CENTURIONE FILHO, P. L. Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. Editora Rima/São Carlos/SP. 237p, 2002. • METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. Ed. McGraw Hill. 1334p, 1993. • NUNES, J. A. Tratamento físico-químico de águas residuárias industriais. Editora triunfo/Aracajú/SE. 299p, 2001. • Anais do XXII Congresso da Abes, 2003.
