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AVALIAÇÃO DO PROCESSO DE COAGULAÇÃO NO TRATAMENTO DE ÁGUA DO RIO MOGI GUAÇU UTILIZANDO
CLORETO FÉRRICO, SULFATO DE ALUMÍNIO E POLICLORETO DE ALUMÍNIO
BOVOLENTA, Ariane Cristina1
MORAES, Francisco de Assis Bertini2
RESUMO: No processo de coagulação, ocorre à desestabilização das partículas presentes na água bruta fazendo com que as partículas sejam menos resistentes à agregação. São adicionados produtos chamados de coagulantes, principalmente sais de alumínio (Al+3) ou ferro (Fe+3). O objetivo deste trabalho está focado nesse processo para determinar qual coagulante: cloreto férrico, sulfato de alumínio ou policloreto de alumínio, apresenta melhor eficiência e o melhor custo benefício para o tratamento de água do rio Mogi Guaçu, utilizando o “Jar Test” como equipamento prático e eficaz para os testes.
PALAVRAS-CHAVES: Tratamento de água; Coagulantes; Cloreto férrico; Sulfato de alumínio; Policloreto de alumínio; Jar-Test; Turbidez.
ABSTRACT: In the process of coagulation, the destabilization of the particles present in the raw water making the particles less resistant to aggregation. Products called coagulants, mainly aluminum (Al + 3) or iron (Fe + 3) salts, are added. The objective of this work is focused on this process to determine which coagulant: ferric chloride, aluminum sulphate or aluminum polychloride, presents better efficiency and the best cost benefit for the water treatment of the Mogi Guaçu river, using the Jar Test as equipment practical and effective for testing.
KEYWORDS: Water treatment; Coagulants; Ferric chloride; Aluminum sulfate; Aluminium polychloride; Jar-Test; Turbidity.
1. INTRODUÇÃO Como fonte da sobrevivência humana a água é o elemento vital. Ela está
presente em todas as necessidades do homem como também para recursos
industriais e públicos. Nela estão presentes certas substâncias e elementos
químicos que são essenciais para o desenvolvimento do ser humano, no
entanto, águas naturais podem conter organismos, substâncias e elementos
que são prejudiciais à saúde e devem ser reduzidas ou até mesmo eliminadas.
Segundo Di Bernardo e Dantas (2005), o tratamento de água consiste
basicamente na remoção de material suspenso, coloidal, matéria orgânica e
micro-organismos. Na grande maioria dos casos são utilizadas operações
unitárias físicas e químicas. Por exemplo, em uma estação de tratamento de
1 Ariane Cristina Bovolenta é graduanda em Engenharia Química (2018) pela Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu, São Paulo. E-mail: [email protected]. 2 Francisco de Assis Bertini Moraes possui graduação em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas (1983) e mestrado em Engenharia de Produção pelo Centro Universitário de Araraquara (2011). Professor da Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu, São Paulo. E-mail: [email protected].
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água convencional geralmente são utilizadas as seguintes unidades: mistura
rápida e coagulação, floculação, decantação, filtração e desinfecção.
O objetivo das estações de tratamento de água é tornar a água de
manancial potável, mantê-la dentro dos parâmetros de potabilidade de acordo
com a Portaria de Consolidação nº 5 de 28/09/17 anexo XX, do Ministério da
Saúde, adotando o melhor sistema de tratamento.
Para que haja uma otimização do processo, é indispensável à realização
de análises experimentais para observação do comportamento e das
características dos produtos utilizados no sistema e definir quais as melhorias
tecnológicas e melhor custo benefício.
O processo de coagulação serve para desestabilizar as partículas
presentes na água bruta para tornar o sistema instável com as partículas
menos resistentes à agregação. Para que ocorra essa desestabilização, são
adicionados os coagulantes, produtos que contêm principalmente sais de
alumínios (Al+3) ou ferro (Fe+3), como por exemplo, cloreto férrico, sulfato de
alumínio e policloreto de alumínio.
Para a definição do melhor tipo de coagulante a ser utilizado no
tratamento de água, é necessário levar em conta alguns critérios, como por
exemplo, a tecnologia de tratamento, o custo do coagulante e sua adequação à
água bruta, o custo dos produtos químicos associados como alcalinizantes,
entre outros.
De acordo com Souza (2009), o processo de coagulação química exerce
enorme influência no tratamento de água, sendo que se esta etapa do
processo não for realizada com sucesso, as próximas etapas do processo
como a floculação, decantação e a filtração, estarão comprometidas,
resultando numa mínima eficiência de tratamento de água, produzindo uma
água tratada de má qualidade.
O objetivo deste trabalho foi realizar ensaios no laboratório da estação de
tratamento de água da cidade de Mogi Guaçu, para determinar qual o melhor
coagulante a ser utilizado, levando em consideração sua eficiência e custo de
aplicação. Os coagulantes testados foram o cloreto férrico, sulfato de alumínio
e policloreto de alumínio. Os testes foram realizados em “Jar-Test” (teste de
jarros), um procedimento simples e prático de se estabelecer parâmetros e
dosagens de produtos químicos utilizados nas estações de tratamento de água.
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2. O PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA DA ETA DE MOGI GUAÇU
A captação de água bruta é feita na Barragem da Pequena Central
Hidrelétrica da cidade, onde a água, após passar por um sistema de
gradeamento para retenção de materiais sólidos, segue por gravidade numa
adutora de ferro fundido, com 1000 mm de diâmetro, até chegar a um
reservatório metálico conhecido como chaminé de equilíbrio, que direciona
para o poço de sucção composto por quatro conjuntos moto-bomba,
recalcando a água bruta por meio de duas tubulações em ferro fundido de 500
mm com extensão de aproximadamente 2 km, até chegar à Estação de
Tratamento de Água.
Cerca de 2300 m³/h de água bruta são recebidos na Calha Parshall da
ETA, onde ocorre uma mistura rápida, neste local é aplicado alcalinizante
hidróxido de cálcio para a correção do pH, o coagulante e o cloro para
oxidação de metais e da matéria orgânica.
Figura 1 – Tanque de preparação de Hidróxido de Cálcio da ETA
Fonte: Autora, 2018
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Figura 2 – Calha Parshall da ETA Fonte: Autora, 2018
A água é conduzida para os floculadores mecânicos para produzir a
aglutinação dos sólidos em suspensão e a decantação, que é a precipitação
dos flóculos formados.
Figura 3 – Floculadores mecânicos Fonte: Autora, 2018
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Figura 4 – Decantador Fonte: Autora, 2018
Em seguida a água decantada passa pelos filtros de areia para remoção
das impurezas da água por sua passagem através de um meio poroso
(material granular: antracito, areia e cascalho).
Figura 4 – Filtros Fonte: Autora, 2018
Por último é adicionado o cloro para desinfecção da água, o flúor para
prevenção de cárie dentária, o hidróxido de cálcio para correção de pH e o
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ortopolifosfato de sódio para inibição de cor e incrustações na rede de
distribuição.
3. QUALIDADE DE ÁGUA TRATADA E POTÁVELA Portaria de Consolidação nº5, anexo XX, do Ministério da Saúde,
determina todas as etapas, padrões e procedimentos do tratamento de água
que devem ser seguidas. Os parâmetros estabelecidos pela Portaria de
Consolidação nº 5 estão especificados abaixo na Tabela 1:
Tabela 1 – Parâmetros estabelecidos pela Portaria de Consolidação nº5, Anexo XX do Ministério da Saúde
PARÂMETROS PORTARIA nº5 ANEXO XX
DESCRIÇÃO DE CADA PARÂMETRO ANALISADO
Cloro Residual Livre 0,2 a 5,0 mg/L O cloro é adicionado à água para eliminar
os micro-organismos.
pH 6,0 a 9,5 Indica se a água é ácida (< 7,0), neutra (= 7,0) ou alcalina (> 7,0)
Flúor 0,6 a 0,8 mg/L Adicionado à água para prevenção de cárie dentária.
Turbidez Máx 5,0 NTUCaracterística que indica a presença de partículas em suspensão na água, o grau de transparência
da água.
Cor Aparente Máx 15,0 uH Resultado das partículas dissolvidas na água, que podem alterar a sua cor.
Coliformes Totais
Ausente em 95% das amostras
Indica a presença de bactérias que não são necessariamente prejudiciais à saúde.
Coliformes Fecias (E. Coli)
Ausente em 100% das amostras
São bactérias que estão restritas ao trato intestinal de animais de sangue quente.
Fonte: Autora, 2018
De acordo com o capítulo II – das definições:
[...]
II – água potável: água que atenda ao padrão de
potabilidade estabelecido neste Anexo e que não
ofereça riscos à saúde;
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III – padrão de potabilidade: conjunto de valores
permitidos como parâmetro da qualidade da água
para consumo humano, conforme definido neste
Anexo;
[...]
V – água tratada: água submetida a processos
físicos, químicos ou combinação destes, visando
atender ao padrão de potabilidade;
4. MECANISMOS DA COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃOA transparência da água é afetada pela presença de substâncias visíveis
em suspensão como sílica, argila, matéria orgânica, plâncton e outros
microrganismos ou até mesmo a presença de bolhas de ar, resultando na
turbidez. Ela é definida como a interferência da passagem da luz provocada
pelas matérias em suspensão, onde ocorre a reflexão e a absorção da luz,
conforme princípio de medição mostrado abaixo na Figura 5.
Figura 5 – Radiação espalhada Fonte: SP Labor, 2016
É fundamental a desestabilização da dispersão de colóides para a
remoção da turbidez. Como estes se encontram com pH entre 5 a 10 (carga
negativa), é necessário a adição de um eletrólito com carga inversa.
Essa desestabilização é conseguida na etapa de coagulação, onde é
reduzido todas as forças atrativas da suspensão coloidal, permitindo que as
partículas se agreguem. Após esse procedimento, há necessidade de agitação
lenta onde ocorrem choques entre as impurezas formando-se assim, partículas
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maiores denominadas flocos (processo de floculação) e removidas por
sedimentação, flotação ou filtração rápida.
Segundo Amirthrajah, A & Mills (1982), citados por Di Bernardo (2005),
os mecanismos de coagulação por adsorção e neutralização de cargas e por
varredura, quando é utilizado sulfato de alumínio, podem ocorrer segundo os
caminhos indicados da Figura 6:
Figura 6 - Caminhos para a coagulação por adsorção-neutralização de carga e por varredura utilizando sulfato de alumínio
Fonte: Di Bernardo, 2005
É importante ressaltar que coagulação e floculação podem ser
consideradas uma única etapa por serem simultâneas e interdependentes, e
usados como um pré-tratamento para a remoção de toda carga orgânica a
partir de um tratamento físico-químico da água.
Sabendo-se disso, para que sejam determinadas as condições ótimas de
coagulação e estabelecidas qual o melhor tipo e a melhor dosagem de
coagulantes, faz-se o “Jar Test” para melhor remoção orgânica.
5. METODOLOGIAOs experimentos foram realizados no laboratório químico da Estação de
Tratamento de Água da cidade de Mogi Guaçu. As amostras de água bruta
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foram testadas em 3 diferentes turbidez (20, 70 e 160 NTU) coletadas na
própria estação.
Foi utilizado o equipamento “Jar Test” da marca POLICONTROL,
conforme Figura 7, para os ensaios, sendo este contendo 6 cubas quadradas
em acrílico transparente de 2 litros cada e velocidade programável de 10 a 700
rpm.
Figura 7 – Equipamento “Jar Test” Fonte: Metrológica, 2016
Em cada uma das 3 amostras com diferentes turbidez de água bruta, os
testes foram realizados nas cubas do “Jar Test” com dosagens de 20, 40, 60,
80, 100 e 110 mg de produto químico coagulante por litro de água, sendo
utilizados os produtos: cloreto férrico, sulfato de alumínio e policloreto de
alumínio.
O pH das amostras coletadas foi mantido na faixa de 6,0 a 9,5 conforme
os parâmetros estabelecidos pelo Ministério da Saúde.
Os produtos foram dosados e as amostras foram agitadas por 2 minutos
e meio a 300 rpm, reduzida para 50 rpm por 4 minutos, em seguida a
velocidade foi reduzida novamente para 10 rpm por mais 3 minutos. Após a
agitação, as amostras foram deixadas em decantação por 5 minutos e depois
coletadas para medição de pH, turbidez e cor aparente.
7. RESULTADOS E DISCUSSÃOAo analisar os dados obtidos para cada dosagem diferente de
coagulante, avalia-se a eficiência de redução da turbidez a partir da turbidez
inicial da água bruta. Os resultados foram descritos na Tabela 2.
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Tabela 2 – Resultados dos testes de coagulação no “Jar Test”
Coagulante
Turbidez Água-Bruta
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Turbidez de Água Tratada NTUDosagem de Coagulante (mg-coagulante/ litro-água)
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CloretoFérrico
160 148 49,8 19,6 *9,0 *2,0 -70 63,9 21,1 12,7 *4,0 *2,0 -
20 21,8 7,99 4,58 *2,0 *2,0 -
Sulfato deAlumínio
160 150 76,8 27,6 25,9 *10,0 -70 69,7 65,3 23,7 18,0 *7,0 -
20 19,2 13,1 *6,0 *2,0 *2,0 -
Policloretode
Alumínio
160 64,5 31,2 14,3 10,1 *3,0 -
70 49,8 20,1 16,4 11,1 7,53 -
20 14,4 9,09 6,18 2,58 *0,0 -* Valores interpolados
Fonte: Autora, 2018
Para visualizar melhor os resultados, estes foram plotados em gráficos
como ilustrados nas Figura 8 para o cloreto férrico, Figura 9 para o sulfato de
alumínio e Figura 10 para o policloreto de alumínio.
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Turbidez Água Tratada x Dosagem de Cloreto Férrico
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Figura 8 – Turbidez Água Tratada x Dosagem do Cloreto FérricoFonte: Autora, 2018
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Dosagem - Sulfato de Alumínio-mg/ L-água
Turbidez Água Tratada x Dosagem de Sulfato de Alumínio
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Figura 9 – Turbidez Água Tratada x Dosagem do Sulfato de AlumínioFonte: Autora, 2018
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Dosagem - Policloreto de Alumínio-mg/ L-água
Turbidez Água Tratada x Dosagem de Policloreto de Alumínio
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Figura 10 – Turbidez Água Tratada x Dosagem do Policloreto de AlumínioFonte: Autora, 2018
Analisando as figuras acima do processo de coagulação, observa-se que
a eficiência de coagulação ou a capacidade de produzir água tratada com
menor turbidez, depende da turbidez da água bruta e da dosagem de
coagulante, sendo que avaliamos esta eficiência em três faixas de turbidez da
água bruta: 160 NTU, 70 NTU e 20 NTU.
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Para o tratamento de água bruta com turbidez de 160 NTU, a dosagem
do cloreto férrico é baixa, ou seja, menor que 60 mg por litro de água, quando
comparada a dosagem de 80 mg por litro do sulfato de alumínio e do policloreto
de alumínio.
Quando a turbidez da água bruta a ser tratada é de 70 NTU, o cloreto
férrico é dosado a 60 mg por litro de água. Para o sulfato de alumínio, a
dosagem é de 80 mg por litro de água. O policloreto de alumínio é dosado a
100 mg por litro de água.
Turbidez de água bruta igual a 20 NTU, o cloreto férrico é dosado a 60
mg por litro de água, o sulfato de alumínio a 40 mg por litro de água e a
dosagem de policloreto de alumínio é de 80 mg por litro de água.
Estes resultados estão descritos abaixo na Tabela 3.
Tabela 3 – Dosagem de coagulante em função da turbidez
CoagulanteDosagem de Coagulante (mg-cogulante/litro-água)
Água Bruta160 NTU
Água Bruta70 NTU
Água Bruta20 NTU
CloretoFérrico 60 60 60
Sulfato deAlumínio 80 80 40
Policloretode Alumínio 80 100 80
Fonte: Autora, 2018
Portanto, fica explicito qual a menor dosagem necessária para a
produção de água tratada do cloreto férrico, sulfato de alumínio e policloreto de
alumínio.
8. ANÁLISE TÉCNICO ECONÔMICA DA UTILIZAÇÃO DOS COAGULANTES
Foi orçado os preços dos produtos com a empresa produtora e
comercializadora dos coagulantes na região de Mogi Guaçu – SP. Para o
Cloreto Férrico – R$ 1543,00 /ton, Sulfato de Alumínio – R$ 400 /ton e
Policloreto de Alumínio – R$ 840,00 /ton.
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A partir dos dados da Tabela 2 e dos preços dos coagulantes, é possível
calcular o custo de coagulação por tipo de coagulante utilizado para o
tratamento de água atingir com turbidez diferentes da água bruta do Rio Mogi
Guaçu.
Na Tabela 4 estão os resultados comparativos de custos de aplicação
para cada coagulante para cada mil metros cúbicos de água tratada.
Tabela 4 – Comparativo econômico da aplicação de coagulantes
CoagulanteCusto de Aplicação de Coagulante (R$/1000 m³-água)
Água Bruta160 NTU
Água Bruta70 NTU
Água Bruta20 NTU
CloretoFérrico R$ 92,58 R$ 92,58 R$ 92,58
Sulfato deAlumínio R$ 32,00 R$ 32,00 R$ 16,00
Policloretode Alumínio R$ 67,20 R$ 84,00 R$ 87,20
Fonte: Autora, 2018
Analisando os dados e comparando o sulfato de alumínio e o policloreto
de alumínio, apesar do melhor custo benefício e dosagens equivalentes, o
sulfato de alumínio não é recomendado por não conseguir tratar a água com
eficiência. O cloreto férrico é descartado pelo seu preço elevado.
9. CONCLUSÃOO “Jar Test” é uma ótima ferramenta para a realização de testes das
condições de coagulação e floculação em tratamento de água, sendo possível
abordar a influência da turbidez da água bruta e das dosagens de diferentes
coagulantes no processo de coagulação.
De acordo com os resultados, foi possível notar que o coagulante
policloreto de alumínio foi o de melhor eficiência para o tratamento da água do
Rio Mogi Guaçu. O sulfato de alumínio teve dosagens semelhantes ao
policloreto de alumínio, porém, este não apresentou eficiência no tratamento. O
cloreto férrico foi o coagulante que utilizou menores dosagens de produto, mas
alto custo de compra, sendo desconsiderado.
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Conclui-se então que o coagulante mais eficiente para o tratamento de
água bruta é o policloreto de alumínio no tratamento de água da cidade de
Mogi Guaçu, além da eficiência, seu preço é altamente competitivo, reduzindo
assim o custo de aplicação e garantindo uma água excelente.
Esta técnica pode ser feita em outras unidades de tratamento de água
municipais e industriais, porém, é necessário a consciência de que os
resultados não serão os mesmos. Ratificamos que os dados aqui reportados
não foram encontrados na literatura disponível.
10. REFERÊNCIAS BIBILOGRÁFICASAMIRTHRAJAH, A e MILLS, K.M. Rapid-mix design for mechanisms of alum coagulation. Journal of American Water Works Association, 74 (4), p.210-2316, 1982.
DI BERNARDO, L.; DANTAS, A. B. Métodos e técnicas de tratamento de água. v. 1 e 2,e.2. Rima editora, São Paulo, 2005.
PORTARIA DE CONSOLIDAÇÃO Nº5, de 28 de Setembro de 2017. Biblioteca Virtual em Saúde. Ministério da Saúde. Disponível em: <http://bvsms.saude.gov.br/bvs/saudelegis/gm/2017/prc0005_03_10_2017.html> Acesso em: 20 de Outubro de 2018.
SOUSA, Mabel Ribeiro. (2009). Estudo do lodo gerado na estação de tratamento de água de Buíque – PE: Caracterização, Quantificação e Identificação de oportunidades de minimização de resíduos. São Cristóvão – SE, 2009. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Sergipe.
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