I-063 – AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TIPO DE COAGULANTE NA REMOÇÃO DA COR NO TRATAMENTO DAS ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Fabiano César Tosetti Leal Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Juiz de Fora Especialista em Engenharia Sanitária e Ambiental, e Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais Professor Assistente do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal de Juiz de For a Marcelo Libânio1 Engenheiro Civil e Mestre em Engenharia Sanitária (UFMG) Doutor em Hidráulica e Saneamento (USP) Pesquisador do CNPq Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG Endereço(1) Av. Contorno, 842/8o andar - Centro - Belo Horizonte - MG – 30.110-060 - Brasil - Telefone: (31) 3238.1004 - E-mail: mlibanio@ehr.ufmg.br Resumo O trabalho tenciona apresentar os resultados da avaliação, por meio de ensaios em reatores estáticos, da influência do tipo de coagulante na remoção da cor verdadeira e aparente em águas naturais afluentes a duas estações convencionais de tratamento. Inicialmente, determinaram-se os parâmetros hidráulicos intervenientes nos processos e operações unitárias inerentes ao tratamento para as duas estações. A partir de tais resultados, foram elaborados, por meio de ensaios em reatores estáticos, os diagramas de coagulação objetivando determinar as dosagens ótimas para os três coagulantes avaliados (sulfato de alumínio, sulfato ferrosos clorado e uma mistura destes denominado Polifloc L).

Os melhores resultados para a ETA I (Q » 560 l/s) na remoção da cor natural foram obtidos com coagulantes à base de ferro. Para a ETA II (Q » 1200 l/s) a análise dos resultados obtidos para os três coagulantes utilizados, demonstra uma ligeira vantagem para o sulfato de alumínio líquido. As dosagens de coagulantes utilizadas e a faixa na qual se enquadrou o pH de coagulação, de 5,6 a 6,5, independentemente do coagulante utilizado, poderiam indicar a predominância do mecanismo de desestabilização por adsorção-neutralização de cargas. Porém, a magnitude das dosagens utilizadas, a inexistência da mistura rápida e o principal mecanismo de transporte na floculação, indicam que a desestabilização ocorre no mecanismo da varredura. Ressalte-se ainda que o pH de coagulação enquadrou-se na faixa ótima para remoção de substâncias húmicas segundo a literatura técnica. Palavras-chave: Tratamento de água, remoção de cor, coagulação. INTRODUÇÃO Diversos fatores interferem no processo de coagulação, dentre os quais destacam-se o pH e a alcalinidade da água bruta, o tipo de coagulante, a natureza das partículas coloidais, a distribuição dos tamanhos das partículas causadoras de turbidez e a uniformidade da aplicação dos produtos químicos. Com menor relevância podem ser arrolados a concentração e idade da solução de coagulante, a temperatura da água – de maior relevância nos países de clima temperado - e, dependendo do mecanismo de coagulação predominante, o gradiente de velocidade e o tempo agitação na unidade de mistura rápida. A definição do tipo de coagulante frequentemente baliza-se em fatores de ordem econômica, relacionados à adequabilidade do mesmo às características da água bruta, à tecnologia de tratamento, ao custo e à preservação dos tanques e dosadores, e, em última instância, à duração das carreiras de filtração. Desta forma, ao custo do emprego do coagulante deve-se associar o dispêndio de água de lavagem e a receita a ser auferida, descontadas as perdas na distribuição, com a redução deste volume. Ao longo das últimas décadas diversos sais têm sido empregados como coagulantes, basicamente sais de ferro e alumínio, e, mais raramente, polímeros orgânicos são também utilizados como coagulantes primários. Mais recentemente tem sido avaliada a aplicação do cloreto de polialumínio, com bons resultados na remoção de cor para amplo espectro de pH de coagulação,. A comparação entre a eficiência dos coagulantes mais usuais, sulfato de alumínio e cloreto férrico, alicerça-se, para as estações convencionais, na dosagem e na amplitude do pH para formação do precipitado. Águas turvas e de baixa alcalinidade via de regra hão de coagular melhor com cloreto férrico, pois o precipitado pode se formar mesmo com baixos valores de pH. Contudo, a adição de cal e, se possível, o emprego de polímeros como auxiliares de coagulação podem tornar o sulfato de alumínio passível de ser empregado com sucesso. A definição final consolidar-se-á pelo custo global dos produtos químicos envolvidos na

coagulação, pela duração das carreiras de filtração e, em alguns casos, pelo volume de lodo gerado. Crozes et al. (1995) comprovaram a maior eficiência do cloreto férrico em relação ao sulfato de alumínio na remoção da matéria orgânica natural, potencialmente precursora da formação de compostos organo-halogenados quando do emprego de compostos de cloro na desinfecção. Na pesquisa ficou patente a inviabilidade do emprego de polímeros orgânicos como coagulantes primários no tratamento de águas ricas em matéria orgânica. Tal se deveu ao fato do mecanismo predominante de remoção do carbono orgânico total se efetuar pela adsorção ao precipitado de hidróxido do metal. A partir do trabalho de Amirtharajah & Mills, que, em 1982, desenvolveram a atual concepção dos diagramas de coagulação, o teste de jarros, em função das características apresentadas pela água bruta, assume importância destacada no fornecimento das dosagens ótimas dos produtos químicos necessários ao tratamento. Acrescente-se ainda a complexidade dos fenômenos envolvidos no processo de desestabilização das partículas coloidais presentes no meio, conferindo destacada importância aos testes em instalações piloto e em escala de bancada, por não existirem, até o momento, modelos teóricos capazes de explicitar, na sua totalidade, as etapas envolvidas no processo de coagulação. Deve-se ressaltar, contudo, que cuidados especiais devem ser levados em consideração, quando da realização dos ensaios em reatores estáticos, devido à provável ocorrência dos curtos-circuitos e outras interferênc ias em escala real, o que não ocorre em escala reduzida de laboratório. Este cuidado é de extrema importância na avaliação proposta, devido ao fato de que os padrões de escoamento em escala real podem em muito diferir do que é esperado pela aplicação de modelos empíricos de dimensionamento das diversas unidades das estações de tratamento de água. Assim, a utilização desta imprescindível ferramenta, associada à medição in loco de alguns parâmetros hidráulicos das estações de tratamento de água, notadamente os tempos de detenção hidráulica e os gradientes de velocidade em algumas de suas unidades, permitiu estabelecer, em função das características das águas brutas utilizadas, quais os melhores coagulantes e as suas dosagens ótimas, os quais determinam uma maior eficiência, sempre aliada ao menor custo de operação, na remoção dos parâmetros de interesse desse trabalho, quais sejam, a cor aparente e a cor verdadeira das águas naturais. Para tanto, foi realizada uma representativa série de testes em jarros, que tentaram reproduzir em laboratório as características hidráulicas avaliadas nas estações de tratamento de água, objeto desse trabalho, gerando um instrumento de decisão sobre qual o melhor agente coagulante e qual a sua dosagem ótima, em função das características apresentadas pelas águas brutas em teste, tomando-se como parâmetros de interesse a remoção da cor aparente e verdadeira das águas naturais.

OBJETIVO Avaliar, por meio de ensaios em reatores estáticos, a influência do tipo de coagulante na remoção da cor verdadeira e aparente em águas naturais afluentes a estações convencionais de tratamento. METODOLOGIA A pesquisa proposta teve como objetivo avaliar qual o melhor agente coagulante, neste trabalho representado pela sua menor dosagem e melhor eficiência na remoção da cor aparente e verdadeira, amparado, principalmente, na determinação das características reais de operação de algumas unidades das estações de tratamento de água. A partir desta premissa básica o estudo foi dividido em duas fases gerais e distintas, a saber, i) obtenção dos parâmetros hidráulicos para as unidades de interesse das estações de tratamento participantes,e ii) obtenção das dosagens ótimas dos agentes coagulantes testados, através dos diagramas de coagulação, desenvolvidos a partir dos parâmetros hidráulicos reais obtidos. TESTES DE BANCADA Os testes de bancada foram efetuados com a utilização de aparelho para Teste de Jarros JUNDILAB, fabricado pela Nova Ética Ind., Com. e Serv. Ltda., composto de seis jarros com capacidade individual de 2 (dois) litros cada, com dispositivo para aplicação simultânea de produtos químicos, bem como para coleta simultânea de amostras de água a 7 (sete) centímetros de profundidade a partir da superfície do fluido, o que permitiu o ensaio de diferentes velocidades de sedimentação. O equipamento conta ainda com tacômetro digital que permite a variação e controle da rotação dos agitadores, possibilitando a operação com gradientes de velocidade na faixa de 10 a 2.000 s-1. As análises para determinação da concentração do íon flúor na água, necessárias para determinação dos tempos de detenção hidráulica e vazão nos floculadores pela técnica dos traçadores, foi realizada pelo método SPADNS de acordo com o que determina o STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER (1998). A determinação do pH da água bruta e do pH de coagulação, os testes para determinação da turbidez, tanto da água bruta quanto da água decantada, bem como a leitura da cor aparente e verdadeira pelo Método da Comparação Visual, também foram realizados em acordo com o STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER (1998).

A cor aparente, que sofre a influência direta do material particulado que causa turbidez, foi medida pela leitura direta da amostra. Já para a determinação da cor verdadeira procedeu-se à filtração prévia da amostra em papel de filtro para café visando à remoção das partículas causadoras de turbidez. Empregou-se este papel pelo fato das águas utilizadas no presente estudo apresentarem baixos valores para turbidez e da dificuldade de obtenção de papel de filtro Wathman 40, normalmente utilizado nestes ensaios. Além disso, testes realizados com amostras das águas em estudo, com turbidez variando de 2,1 a 44 uT e cor aparente de 50 a 120 uC, comprovaram a eficiência do papel de filtro utilizado para os objetivos do presente estudo, conforme pode ser verificado na apresentação dos resultados obtidos. DESCRIÇÃO DAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA A pesquisa realizou-se em duas estações convencionais de tratamento de água, às quais afluíam vazões médias de 620 e 986 l/s, que utilizavam mistura rápida hidráulica, floculação mecanizada de eixo vertical, decantação de escoamento horizontal e filtração rápida em meio filtrante de areia. A estação de tratamento Walfrido Machado de Mendonça, de agora em diante denominada "ETA 1", é uma estação que utiliza a tecnologia convencional para o tratamento da água, ou seja, é dotada de unidades para coagulação, floculação e decantação precedendo a filtração rápida. Em função do aumento da demanda, esta estação vem sofrendo, a partir de sua incorporação ao sistema de abastecimento de Juiz de Fora, incrementos na sua capacidade produtiva. Assim sendo, passou dos iniciais 180 l/s às vazões de 300 l/s e 560 l/s, esta última coincidindo com o início do trabalho aqui apresentado, passando a operar, ao longo da sua realização, com os seus atuais 620 l/s. Para tanto, a sua estrutura inicial foi ampliada, notadamente o canal de água coagulada, a unidade de floculação e as unidades de filtração rápida descendente de camada simples. Atualmente, para atender aos incrementos na sua vazão nominal, a estação conta com um aerador de cascata na chegada da adutora de água bruta, este já existente em sua estrutura original, um medidor de vazão Parshall, um canal de água coagulada com septo interno em sua extremidade de jusante para divisão da vazão afluente às unidades de floculação, dois conjuntos floculador/decantador convencional independentes, cada floculador contando com três câmaras dotadas de agitador mecânico de eixo vertical, e doze filtros rápidos descendentes de areia, comuns aos conjuntos citados. A estação de tratamento Marechal Castelo Branco, de agora em diante denominada "ETA 2" também utiliza a tecnologia convencional para o tratamento da água, ou seja, compõe-se de unidades específicas para a coagulação, floculação e decantação precedendo a filtração rápida. Esta estação, projetada em módulos, foi construída nos anos 70, sendo que seu projeto original previa, para fim de plano, a construção de 4 (quatro) módulos de tratamento, cada um deles composto por um floculador mecanizado de 6 (seis) câmaras, 3 (três)

decantadores convencionais e 3 (três) filtros rápidos descendentes de camada simples, o que possibilitaria a operação com a vazão nominal de 1,2 m3/s. A carência de recursos financeiros, aliada a critérios de dimensionamento conservadores e a características favoráveis da água bruta, haja visto o manancial abastecedor tratar-se de um reservatório art ificial de acumulação de grande volume, acarretaram com que não ocorresse a ampliação prevista no projeto original, estando ainda hoje em operação os dois módulos construídos em início de plano. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS DE INTERESSE DAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA A metodologia proposta no presente trabalho, para a determinação das melhores dosagens de produtos químicos, condiciona a obtenção, em escala real, de parâmetros hidráulicos de algumas das unidades das estações de tratamento de água estudadas. Para obtenção destes parâmetros, notadamente o tempo real de detenção hidráulica e vazão nas unidades de floculação, utilizou-se a técnica do traçador, a qual, em síntese, constitui-se em alimentar a unidade em estudo com uma massa conhecida de um produto químico selecionado, procedendo-se a seguir, na saída da unidade, a medição de sua concentração em intervalos regulares de tempo. O tempo médio de detenção hidráulica corresponderá, então, ao tempo de coleta para o qual houve um pico na concentração do traçador na amostra coletada. A vazão na unidade pode ser conhecida, ou estimada, a partir da expressão simplificada: Q = M ¸ (å c . D t) (1) em que: Q é a vazão em l/s, M é a massa de traçador lançada em mg, c é a concentração média do traçador entre coletas sucessivas em mg/l, D t é o intervalo de tempo estabelecido entre as coletas sucessivas em segundos. Em função da facilidade de sua obtenção e de rotinas de análise já estabelecidas no laboratório da concessionária, foi escolhido como traçador o ácido fluorsilícico, já há muito utilizado na fluoretação das águas de abastecimento do município. A forma escolhida para a aplicação do ácido fluorsilícico foi a do tipo pulso, sendo as amostras coletadas na saída das unidades de floculação em intervalos regulares de dois minutos, com início de coleta concomitante com o momento da dosagem do produto selecionado. Ressalte-se ainda que, para evitar distorções, foi medida, para cada campanha,

a concentração do íon flúor na água bruta afluente à estação e na saída dos floculadores, antes da dosagem do produto. Após a dosagem do mesmo na entrada das unidades de floculação, com volume e massa conhecidos, a concentração do íon flúor foi novamente medida, agora na saída destas unidades, nos intervalos pré-estabelecidos de 2 (dois) minutos, até que a água floculada apresentasse concentração do produto igual a zero, idêntica à da água bruta. Os resultados assim obtidos para os tempos médios de detenção hidráulica das unidades de floculação constituíram-se como imprescindíveis para a realização das etapas posteriores deste trabalho e, guardadas as particularidades, poderão simular com sucesso na escala de bancada o processo ocorrido em escala real. Estes resultados encontram-se apresentados em seção específica. A ETA 1 foi alvo de quatro campanhas de estudo, efetuadas a partir da metodologia proposta, cujos resultados são apresentados em seção própria, em função de algumas características específicas da sua planta e operação. Em primeiro lugar destaca-se a já mencionada existência de um septo no canal de água coagulada para divisão da vazão afluente para os floculadores que, apesar de não desrespeitar a disposição normativa de desvio máximo de 20% da vazão nominal da unidade, por não produzir divisão equânime para as unidades de floculação, trazia alguns transtornos para a operação destas unidades. Em segundo lugar, também de igual relevância, destaca-se a alteração da vazão nominal da estação, durante a realização do trabalho, em decorrência de demand as impostas pela operação global do sistema de abastecimento do município. A primeira campanha não atingiu os objetivos esperados por um erro de avaliação do período de tempo necessário para a coleta das amostras, o que impediu a obtenção da concentração "zero" para o traçador na saída das unidades, comprometendo a avaliação das vazões afluentes às mesmas. Ainda assim foi possível obter uma primeira avaliação dos tempos de detenção hidráulica médios para cada uma das unidades de floculação existentes. Uma segunda campanha permitiu a confirmação dos tempos de detenção médios da campanha anterior, além de possibilitar a consecução do segundo objetivo da campanha, qual seja, a avaliação das vazões afluentes às unidades, isto em decorrência da ampliação do período de tempo decorrido entre o início e o fim da amostragem na saída das unidades de floculação em estudo. Deve-se ressaltar que as vazões assim avaliadas obtiveram confirmação pela equipe de medição da concessionária. Por sugestão do trabalho e com a concordância da concessionária, foi retirada a tábua do "stop- log" do canal de acesso ao floculador 1, ou floculador esquerdo, o qual apresentava maior vazão, com o intuito de melhor equilibrar as vazões afluentes a estas unidades. Por este motivo nova campanha foi realizada, a qual apresentou resultados que corresponderam às expectativas.

Por fim, em função do já referenciado incremento na vazão nominal da estação, a quarta e última campanha foi então realizada, a fim de verificar as alterações impostas aos parâmetros de interesse, causadas pela nova vazão de trabalho da estação. A partir das campanhas realizadas foram determinados os gradientes de velocidade e tempos de detenção hidráulica para a unidade de mistura rápida e para as unidades de floculação, bem como as taxas de aplicação superficial e velocidades de sedimentação para as unidades de decantação. Estes parâmetros embasaram, conforme já referenciado, os testes efetuados posteriormente em laboratório, ou seja, a elaboração dos diagramas de coagulação. Há que se destacar que o gradiente de velocidade e o tempo de detenção hidráulica para a unidade de mistura rápida foram obtidos pela aplicação de um software específico, desenvolvido pelos departamentos de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos e Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia da UFMG. Sendo as unidades de floculação desta estação do tipo mecanizadas, a determinação dos gradientes de velocidade para cada uma de suas câmaras amparou-se nas dimensões físicas das câmaras que compõem as unidades, nos detalhes construtivos dos agitadores mecânicos, conforme Figura 2, na medição in loco da rotação de cada equipamento instalado, e de acordo com as expressões a seguir: P = 1,465x10-5.Cd.g .b.[(1 – k).N]3.å j=1n (R4ej – R4ij).B (2) em que: P é a potência introduzida na massa líquida pelo agitador mecanizado, em Kgf.m/s; g é o peso específico da água (g = 1.000 kgf/m3, para T = 40 C); b é a altura das paletas dos agitadores (b = 2,93m); N é o número de rotações medidas em cada câmara, em rpm; k é o coeficiente de Parlatore de relação entre a velocidade da água e da paleta, Parlatore, segundo VIANNA (1997), recomenda k = 0,24 para rotações compreendidas entre 2 e 5,2 rpm e k = 0,32 para rotações entre 1,1 e 2 rpm, B = 4 braços; Rej – Rij = 0,15m; b ¸ (Rej – Rij) = 19,53 Þ Cd = 1,8 (recomendado por Fair, Geyer e Okun, como primeira aproximação);

Cd – coeficiente de arraste. G = (P ¸ m .V)1/2 (3) em que: G é o gradiente de velocidade, em s-1; m é a viscosidade absoluta da água, considerada igual a 1x10-4 kg.s.m2, para t = 20oC; V é o volume de cada câmara, em m3. Na Figura 1 são apresentados os detalhes das paletas da unidade de floculação da ETA 1. Figura 1 – Representação esquemática do agitador mecânico de quatro braços da ETA 1 Para a ETA 2 os tempos reais médios de detenção hidráulica nas duas unidades de floculação, as vazões afluentes, bem como as taxas de aplicação superficiais resultantes para as unidades de decantação, foram avaliadas em campanha única. Ressalte-se, como de interesse para este trabalho, que esta campanha foi realizada, não intencionalmente, em um dia de operação atípica do sistema de abastecimento do município, estando a estação trabalhando com uma vazão nominal bastante superior à sua vazão usual máxima de operação. Também esta vazão, obtida com o emprego da técnica do traçador, foi alvo de confirmação, por pitometria, pela equipe de medição da concessionária. Alguns detalhes da operação desta estação devem ser destacados em função da sua importância tanto para a determinação dos parâmetros hidráulicos balizadores do trabalho, quanto para o desenvolvimento das etapas posteriores da pesquisa. Primeiramente a unidade de mistura rápida da estação é constituída por um tanque com dimensões em planta de 5,00m x 2,50m e profundidade útil de 4,00m, o que perfaz um volume de 50m3. Esta unidade é equipada com dois agitadores mecanizados, com detalhamento e dimensões desconhecidas estando os mesmos há muito desligados. A aplicação do coagulante é efetuada no fundo da unidade, na extremidade oposta à da chegada da adutora de água bruta, através de duas tubulações de PVC em 1 1/2". Estas condições, além de descaracterizarem a operação como sendo mistura rápida, determinaram também a impossibilidade de se estabelecer o gradiente de velocidade para esta unidade, pela aplicação de modelos matemáticos existentes. A segunda característica de interesse refere-se à forma de operação das unidades de floculação. Os dois floculadores da estação são compostos por seis câmaras cada, equipadas

com agitadores mecânicos. Também nestas unidades os agitadores encontram-se desligados, o que transforma a unidade mecanizada em uma unidade "hidráulica", sem atendimento às características intrínsecas de dimensionamento destas últimas, produzindo gradientes de velocidade muito inferiores aos recomendados pela NBR 12216. Pelo exposto, somente foi possível estabelecer, pelos modelos matemáticos disponíveis, os gradientes de velocidade das duas unidades de floculação que compõem a estação. Para as unidades de floculação hidráulicas, o gradiente de velocidade Gf pode ser calculado pelo emprego da seguinte expressão: GF = [(g . hpt) ¸ (n . t)]1/2 (4) em que: GF é o gradiente de velocidade, em s-1; g é a aceleração da gravidade, m/s2; hpt é a perda de carga total, em m; n é a viscosidade cinemática da água, n = 10-6 m2/s para q = 20oC; t é o tempo de detenção medido na campanha. A perda de carga devido à mudança de direção e ao alargamento e à contração da seção de escoamento podem ser agrupadas e determinadas pela expressão: hp1 = [nc . ve12 + (nc – 1). Ve22] ¸ 2g (5) em que: nc é o número de chicanas; ve1 é a velocidade média do escoamento entre chicanas em m/s; ve2 é a velocidade média do escoamento nas voltas, em m/s; g é a aceleração da gravidade, em m/s2. A perda de carga devido ao atrito entre a água em escoamento e as paredes do canal podem ser consideradas desprezíveis e, portanto, a perda de carga total será dada por: hpt = hp1

(6) em que: hpt = hp1 é a perda de carga em metros. DEFINIÇÃO DAS DOSAGENS ÓTIMAS Os ensaios em reatores estáticos foram efetuados, conforme já mencionado, em aparelho para teste de jarros, equipado com tacômetro digital permitindo a variação e controle da rotação dos agitadores, e apto a conferir gradientes de velocidade na faixa de 10 a 2.000 s-1. O mesmo era dotado de seis jarros com capacidade individual de 2 (dois) litros cada e dispositivo para aplicação simultânea de produtos químicos, bem como para coleta simultânea de amostras de água a 7cm de profundidade a partir da superfície líquida, permitindo ensaios com distintas velocidades de sedimentação. Foram selecionados três distintos coagulantes usualmente empregados pela concessionária, apresentados na Tabela 1. Tabela 1 – Relação e características dos coagulantes utilizados na pesquisa Nome Comercial Produto e Forma de Apresentação Formulação Química e Composição F 666 L Sulfato de Alumínio (Líquido) Al2(SO4)3 . 16H2O Teor mínimo em Al2O3 : 7,5% - Teor mínimo em Fe2O3: 1,2% FLOCULAN Sulfato Ferroso Clorado (Líquido) FeCl3.Fe2(SO4)3 Teor mínimo de Fe2O3 (como Fé): 18,0% POLIFLOC L

Formulação específica (Líquido) FeCl3.Fe2(SO4)3.n Al2(SO4)3 Teor mínimo em R2O3 (Al2O3 + Fe2O3): 9,0% Vale ressaltar que o Polifloc L é produzido a partir da combinação entre o sulfato de alumínio e o sulfato ferroso clorado e, neste caso específico, na proporção respectiva de 7:3. Cada água foi testada, em laboratório, com cada um dos agentes coagulantes relacionados, sendo elaborados, assim, três diagramas para cada estação de tratamento, cada qual sendo função do tipo do produto testado e das características apresentadas pelas águas brutas ensaiadas. As águas foram armazenadas na própria estação para realização dos ensaios, em caixa de fibra de vidro com tampa e capacidade para 500 litros, por no máximo três dias, tempo suficiente para cada bateria de ensaios necessária à determinação das dosagens ótimas. As mesmas foram obtidas por meio da construção de diagramas de coagulação, variando-se as dosagens de coagulante, bem como o pH de coagulação, por meio da aplicação de distintos volumes de leite de cal. Desta forma, determinou-se, para cada coagulante testado, a menor dosagem capaz de produzir a maior eficiência na remoção dos parâmetros de controle, quais sejam, a cor aparente e a cor verdadeira das águas naturais. As análises para determinação da turbidez, pH e cor foram realizadas de acordo com metodologia padronizada As características das águas naturais avaliadas no estudo estão apresentadas na Tabela 2: Tabela 2 – Características das águas testadas afluentes às estações de tratamento I e II. ETA pH Temperatura (0C) Turbidez (uT) Cor Aparente (uC) Cor Verdadeira (uC) I

7,1 a 7,4 19,7 a 25 15 a 17,8 85 a 90 55 a 80 II 6,8 a 7,2 18 a 25 3,49 a 3,94 40 a 65 25 a 55 A partir das vazões afluentes às estações, objeto da pesquisa, determinou-se os parâmetros hidráulicos, norteadores dos ensaios em reatores estáticos, arrolados nas tabelas 3 e 4. Tabela 3 – Parâmetros hidráulicos utilizados nos ensaios para ETA I Vazão Mistura Rápida Floculação Sedimentação (L/S) GMR (s-1) TMR (s-1) GF (s-1) TF (min)

TAS (m3/m2/d)* VS (cm/min)* 60 3,50 560 900 5 25 3,25 60,30 4,19 25 3,25

60 3,50 620 900 5 25 3,25 66,80 4,64 25 3,25 *Valores médios, em função da não equidade das vazões. Tabela 4 – Parâmetros hidráulicos utilizados nos ensaios para ETA II

Vazão Mistura Rápida Floculação Sedimentação (L/S) GMR (s-1) TMR (s-1) GF (s-1) TF (min) TAS (m3/m2/d)* VS (cm/min)* 700** 120 5 Variável 20*** 31 2,15 986 120 5 10 15 44

3,00 *Valores médios, em função da não equidade das vazões; ** Esta vazão somente foi utilizada no ensaio de floculação, portanto com GF variável; *** Estimado para a partir da vazão de 986 l/s. Para a ETA I optou-se por um gradiente de velocidade menor do que o determinado para a mistura rápida, da ordem de 1500 s-1, em função da aplicação do coagulante na estação não estar sendo realizada na garganta do medidor Parshall, e sim a montante do mesmo, a jusante de uma operação de gradeamento, a qual também proporciona grande turbulência no canal de acesso ao medidor. Testes também foram realizados com um polímero aniônico, MAFLOC 1115A, utilizado na estação como auxiliar de coagulação, quando esta ampliou a sua vazão para 620 L/s, sendo mantidos os parâmetros hidráulicos para os testes de bancada, apresentados pela Tabela 3. Para a ETA II, em função da estação apresentar baixos valores para os gradientes de velocidade - tanto para a mistura rápida quanto para a floculação -, foram admitidos valores para estes parâmetros que possibilitassem mínimas condições de operacionalização dos ensaios. Assim, definiu-se a mistura rápida com gradiente de velocidade de 120 s-1, visando garantir condições mínimas de mistura dos produtos químicos, e o gradiente de floculação de 10 s-1. Este último parâmetro constitui-se no mínimo possível de ser fornecido pelo equipamento, associado à baixa turbidez apresentada pelas águas testadas – minimizando a precoce deposição dos flocos no interior dos frascos -, à tentativa de se aproximar ao máximo as condições de bancada das reais de operação das estações. RESULTADOS E DISCUSSÃO PAPEL DE FILTRO Inicialmente, seis amostras das águas em estudo e uma amostra proveniente de manancial distinto, com turbidez variando de 2,1 a 44 uT e cor aparente de 50 a 120 uC, foram testadas e comprovaram, para a faixa de variação de turbidez e cor das águas ensaiadas, a eficiência do filtro de papel para café marca Jovita no 102, utilizado no presente estudo, quando em comparação com o filtro de papel Wathman 40, conforme demonstram os resultados contidos na Tabela 5. Tabela 5 – Comparação entre valores obtidos para cor verdadeira pela filtração da amostra em papel Wathman 40 e em filtro de papel para café. Procedência da Amostra Turbidez (uT)

Cor Aparente (uC) Cor Verdadeira Filtro de Café Wathman 40 Manancial distinto 4,6 100 70 70 Manancial ETA II 2,1 50 40 35 Manancial ETA II 2,1 50 30 30 Manancial ETA I 31 100

80 80 Manancial ETA I 24 100 80 70 Manancial ETA I 28 110 80 80 Manancial ETA I 44 120 100 90 PARÂMETROS HIDRÁULICOS DAS ETA’s I E II Os parâmetros hidráulicos de interesse da pesquisa foram obtidos através da aplicação de um software desenvolvido pelo departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG, para as unidades de mistura rápida, quando possível, e pela técnica do traçador para as unidades de floculação. As Tabelas 6 a 11 apresentam os valores obtidos para esses parâmetros e justificam a ordem de grandeza adotada para os mesmos nos ensaios de laboratório. Tabela 6 – ETA 1 - TMR e GMRna unidade de mistura rápida UNIDADE

VAZÕES (l/s) TMR (s) GMR (s-1) MEDIDOR 560 0,42 1.493 PARSHALL 3’ 620 0,41 1.499 Tabela 7 - ETA 2 – TMR e GMR na unidade de mistura rápida UNIDADE VAZÕES (l/s) TMR (s) GMR (s-1) DIMENSÕES (m) 700 71 não determinado 5,0 X 2,5 X 4,2 986 51 não determinado

Tabela 8 – ETA 1 - Tempos reais médios de detenção hidráulica nas unidades de floculação CAMPANHAS TEMPOS REAIS MÉDIOS DE DETENÇÃO HIDRÁULICA (min) UNIDADE ESQUERDA UNIDADE DIREITA I 10 10 II 8 12 III 12 10 IV 10 10 Considerando que cada unidade de floculação apresenta volume total da ordem de 262 m3, e que a diferença de vazão existente entre as unidades não é significativa, como atesta a pequena, ou quase nenhuma, diferença entre os tempos reais médios de detenção hidráulica apresentados pelas referidas unidades, os tempos teóricos de detenção hidráulica nesta unidade são estimados da ordem de 15,6 min. para a vazão de 560 l/s e 14,1 min para a vazão de 620 l/s. BRATBY (1981), apud LIBÂNIO (1995), afirma que para unidades mecanizadas a relação entre os tempos de detenção teórico e real, em função de curtos-circuitos que normalmente ocorrem, pode ser estabelecida a partir da seguinte expressão:

T = t . n/(n-1) (7) na qual T é o tempo de detenção teórico, t é o tempo de detenção real e n é o número de câmaras em série existentes na unidade. O emprego da expressão anterior para um floculador mecanizado de três câmaras, como as unidades de floculação do presente estudo, levaria a um tempo de detenção teórico 50% superior ao real, exatamente o resultado obtido pelas medições realizadas na estação de tratamento em questão, ou seja, tempo de detenção teórica da ordem de 15 min para tempo de detenção real avaliado em 10 min. Tabela 9 - ETA 1 – TF e GF nas unidades de floculação VAZÃO (l/s) UNIDADE GF (s-1) TF na unidade (min) 57 560 Esquerda 26 10 ou

23 620 40 Direita 18 10 7 Tabela 10 - ETA 2 – TF e GF nas unidades de floculação VAZÃO (l/s) UNIDADE Gf (s-1) Tf(min) 986 Esquerda 3

16 Direita 3 14 Tabela 11 – ETA’s I e II - Parâmetros hidráulicos das unidades de decantação ETA VAZÃO DE UNIDADE DE DECANTAÇÃO TRABALHO (l/s) TAS (m3/m2/d) VS (cm/min) MARECHAL CASTELO 700 31 2,15 BRANCO 986 44 3,00 WALFRIDO MACHADO 560

60,30 4,19 DE MENDONÇA 620 66,80 4,64 TAS – Taxa de Aplicação Superficial VS – Velocidade de Sedimentação A técnica do traçador empregada na avaliação dos tempos reais de detenção hidráulica nos floculadores, bem como na determinação das vazões afluentes às unidades, apresentou-se com grande eficiência, haja visto a confirmação da magnitude das vazões obtidas nos testes, através de medições por pitometria efetuadas por equipe especializada da Cesama. As medições realizadas por esta técnica e os resultados das análises com a água decantada comprovaram que as unidades de floculação/decantação das estações estudadas trabalham com vazões não equânimes, sem que isto venha a comprometer a eficiência dos conjuntos. MELHORES RESULTADOS PARA DOSAGEM DE COAGULANTE E pH COAGULAÇÃO Os melhores resultados obtidos para cada coagulante primário, por meio de diagramas de coagulação, estão apresentados nas tabelas 12 e 13, com os ensaios realizados, conforme mencio nado, de acordo com os parâmetros hidráulicos definidos nas tabelas 3 e 4. Ressalte-se que para a seleção do melhor resultado de cada coagulante considerou-se, concomitantemente, a menor dosagem capaz de produzir as maiores remoções percentuais e também o menor residual dos parâmetros de controle previamente estabelecidos. Tabela 12 – Dosagens ótimas para água bruta afluente à ETA I Água Bruta Coagulante Melhores Resultados pH

Turb. C.A. C.V. Dosagem (mg/l) pH C.A. C.V. (uT) (uC) (uC) Coagul. Residual % Rem. Residual % Rem. 7,4 7,1 16 15,8 85 90 55

80 Sulfato Ferroso Clorado 30 28 7,2 6,8 25 40 71 56 2,5 5 95 94 7,1 15,8 90 80 Sulfato de Aluminio 40 6,6 55 39

10 88 7,4 17,8 90 80 Polifloc L 35 7,2 55 39 5 94 Turb. – turbidezC.A. – cor aparenteC.V. – cor verdadeira% Rem. – percentual de remoção Tabela 13 – Dosagens ótimas para água bruta afluente à ETA II Água Bruta Coagulante Melhores Resultados pH Turb. C.A. C.V. Dosagem (mg/l)

pH C.A. C.V. (uT) (uC) (uC) Coagul. Residual % Rem. Residual % Rem. 7,2 6,8 3,94 3,89 40 65 25 55 Sulfato de Alumínio Líquido 36 35

5,8 6,3 25 15 38 77 5 2,5 80 95 7,1 3,49 65 55 Sulfato Ferroso Clorado 27 5,6 20 69 2,5 95 7,1 3,49 65

55 Polifloc L 40 6,5 20 69 2,5 95 A análise dos resultados obtidos permite inferir que para a água bruta afluente a ETA I os melhores resultados para a remoção da cor natural foram obtidos com coagulantes à base de ferro. A faixa de variação do pH de coagulação, em torno do valor 7,0, bem como a magnitude das dosagens de qualquer dos coagulantes testados, sugerem que a coagulação nesta estação ocorra no mecanismo da varredura. Todavia, deve-se ressaltar que quando o coagulante é administrado em locais com grande dissipação de energia na massa líquida, o mecanismo da adsorção-neutralização de cargas, ainda que não predominante, também se faz presente, quando compostos preliminares da hidrólise desestabilizam parcialment e e aproximam as partículas coloidais, provocando menor consumo do hidróxido metálico e, conseqüentemente, do coagulante utilizado. Para a ETA II a análise dos resultados obtidos para os três coagulantes utilizados, demonstra uma ligeira vantagem para o sulfato de alumínio líquido. Exceção é feita para o primeiro resultado obtido com este coagulante, o qual, apesar de também gerar residuais de cor aparente e verdadeira próximos aos demais, apresentou baixo percentual de remoção para a cor aparente, talvez em função da menor magnitude do valor deste parâmetro na água bruta, indicando que, também por sofrer influência de partículas em suspensão, a eficiência de remoção da cor aparente possa estar intimamente associada à magnitude do parâmetro na água bruta, como ocorre com a remoção da turbidez. As dosagens de coagulantes utilizadas e a faixa na qual se enquadrou o pH de coagulação, de 5,6 a 6,5, independentemente do coagulante utilizado, poderiam indicar, de acordo com os diagramas e mecanismos de coagulação apresentados por LETTERMAN et al (1999), a predominância do mecanismo de desestabilização por adsorção-neutralização de cargas. Porém, a magnitude das dosagens utilizadas, a inexistência da mistura rápida e o principal mecanismo de transporte na floculação, indicam que a desestabilização ocorre no mecanismo da varredura. Ressalte-se ainda que o pH de coagulação enquadrou-se na faixa ótima para remoção de substâncias húmicas segundo a literatura técnica.