De Julio Aidis 2010 2

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INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE FLOTAÇÃO NO TRATAMENTO DE

ÁGUAS DE MESMA COR VERDADEIRA, MAS PREPARADAS COM

SUBSTÂNCIAS HÚMICAS DE DIFERENTES TAMANHOS

MOLECULARES

Flotation velocity influence on the treatment of waters with the same true color, but prepared

with humic substances of different molecular sizes

Marcelo De Julio1

Tatiane Sakamoto De Julio2

Luiz Di Bernardo3

Endereço para contato: (1)

Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), Divisão de

Engenharia Civil, CTA – ITA – IEI, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias. CEP 12.228-900, São

José dos Campos – São Paulo – Brasil. Tel: 55 12 3947-6800, Fax: 55 12 3947-6803, e-mail: [email protected].

Abstract

In this work it was studied the influence of the velocity of flotation on the treatment of four samples of water with the

same true color (100 ± 5 Hu), but prepared with humic substances (HS) of different apparent molecular sizes:

between 100 kDa and 0.45 m membrane, between 30 and 100 kDa, and < 30 kDa. A sample of water prepared with

all fractions of humic substances – filtered in 0.45 m membrane – was also studied. The HS fractionation was done

by ultrafiltration (UF) and it was applied Fenton’s reagent (Fe+2

/H2O2) as coagulant agent. The experiments were

performed in bench scale equipment (flotest). It was verified that the water sample prepared with HS molecules of

the smallest apparent molecular size (< 30 kDa) resulted lower up flow flotation velocity to reach removal

efficiencies similar to the water sample prepared with the higher apparent molecular sizes molecules.

KeyWords: Dissolved Air Flotation, Fenton‟s reagent, Flotation Velocity, Humic Substances, Molecular Size.

1 Engenheiro Civil pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Especialista em Gestão da Produção pela UFSCar e

Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC/USP).

Professor Adjunto, Coordenador da Área de Infraestrutura Aeroportuária do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de

Infraestrutura Aeronáutica e Chefe do Departamento de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental da Divisão de Engenharia

Civil do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). E-mail: [email protected] 2 Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Taubaté (UNITAU). 3 Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC –

USP).

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE FLOTAÇÃO NO TRATAMENTO DE ÁGUAS DE

MESMA COR VERDADEIRA, MAS PREPARADAS COM SUBSTÂNCIAS HÚMICAS

DE DIFERENTES TAMANHOS MOLECULARES

Resumo

Neste trabalho foi estudada a influência da velocidade de flotação no tratamento de quatro águas de estudo com

mesma cor verdadeira (100 ± 5 uH), mas preparadas com substâncias húmicas (SH) de diferentes tamanhos

moleculares aparentes, sendo eles entre 100 kDa e a membrana de 0,45 μm, entre 30 e 100 kDa e < 30 kDa. Uma

amostra reunindo todas as frações, ou seja, com as SH filtradas apenas na membrana de 0,45 µm também foi obtida.

O fracionamento das SH foi feito por ultrafiltração (UF) e foi empregado o reagente de Fenton (Fe+2

/H2O2) como

agente coagulante. Os ensaios foram realizados em equipamento em escala de bancada (floteste). Verificou-se que as

moléculas de SH de menor tamanho molecular aparente (< 30 kDa) requereram uma menor velocidade ascensional

ou de flotação para obtenção de eficiências de remoção similares às moléculas de maior tamanho molecular aparente.

Palavras-chave: Flotação por Ar Dissolvido, Reagente de Fenton, Substâncias Húmicas, Tamanho Molecular, Velocidade de

Flotação.

Introdução

A importância da remoção das substâncias húmicas (SH) se deve ao fato delas conferirem características indesejáveis

à água distribuída, destacando-se, segundo Ratnaweera et al. (1999), a possibilidade de formação de subprodutos da

pré-oxidação e desinfecção, complexar-se com metais pesados e micropoluentes orgânicos e causar cor. Outros

problemas ainda podem ser associados à presença de compostos orgânicos em águas destinadas ao uso doméstico ou

industrial. Estes compostos complexam-se facilmente com óxidos e interagem com argilo-minerais, ácidos graxos e

praguicidas, promovendo sua solubilização. Por estarem envolvidos com o metabolismo e respiração celular, alteram

significativamente o ambiente. Certos compostos orgânicos, quando presentes em águas de abastecimento, podem

causar sabor, odor e proporcionar condições para o desenvolvimento de microrganismos, prejudicando a qualidade

bacteriológica da água distribuída. Sua presença também tem sido relacionada com problemas de corrosão em

sistemas de distribuição, e interferem nos processos de desmineralização, proporcionando saturação acelerada das

resinas trocadoras de íons ou colmatação das membranas. As SH são também fortemente adsorvidas em carvão

ativado reduzindo seu tempo de vida e tornando-o sem utilidade para a remoção de poluentes.

Assim, um estudo mais detalhado sobre sua remoção de águas de abastecimento merece atenção especial. Estudos

envolvendo a influência da velocidade de flotação (ou ascensional) são de grande valia, haja vista que numa

instalação real de escoamento contínuo ela se traduz na taxa de aplicação superficial (TAS) que poderá ser aplicada,

a qual por sua vez determina as dimensões do reator de flotação, se configurando, portanto, num importante

parâmetro de projeto.

Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a influência da velocidade de flotação na coagulação

com o reagente de Fenton, floculação e flotação de águas de mesma cor verdadeira, mas preparadas com substâncias

húmicas de diferentes tamanhos moleculares aparentes.

Material e Métodos

Os ensaios experimentais foram realizados no equipamento floteste (Nova Ética), que consiste numa unidade de

flotação por ar dissolvido em escala de laboratório, trabalhando em batelada, contendo três jarros de flotação, sendo

que a metodologia para a realização dos ensaios encontra-se descrita detalhadamente em Di Bernardo et al. (2002).

As SH foram extraídas de turfa (de acordo com a metodologia proposta por Rocha et al., 2000) e então diluídas em

água do poço artesiano da USP até se obter concentração de 1,0 mg/mL. Esta solução foi filtrada à vácuo em

membranas de 0,45 m (Millipore) para posterior fracionamento por ultrafiltração (UF) (membranas de

3

polyethersulfone, Vivaflow 50, Satorius group, fluxo tangencial, Vivascience). Foram obtidas as seguintes frações

com diferentes tamanhos moleculares aparentes: entre 100 kDa e a membrana de 0,45 μm, entre 30 e 100 kDa e < 30

kDa. Uma amostra reunindo todas as frações, ou seja, com as SH filtradas apenas na membrana de 0,45 µm também

foi obtida.

Foram preparadas quatro águas de estudo distintas, uma para cada fração de SH descrita anteriormente. Cada fração

das SH foi adicionada independentemente à água do poço artesiano (sem cloro) que abastece o Campus I da USP de

São Carlos, até obter-se cor verdadeira de 100 ± 5 uH. Para a leitura da cor foram construídas curvas de calibração

com as SH extraídas em relação ao pH no espectrofotômetro DR/4000 U da Hach, seguindo-se o procedimento

descrito no Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water (1995). O pH e a temperatura das

águas de estudo foram, em todos os ensaios, iguais a 5,0 ± 0,1 e 20 ± 1°C, respectivamente.

Foi empregado o Reagente de Fenton como agente coagulante (seguindo-se metodologia desenvolvida por De Julio

et al., 2005) e os seguintes parâmetros da mistura rápida, floculação e flotação: Mistura rápida (Tmr = 10 s; Gmr =

1000 s-1

); Floculação (Tfl = 15 min; Gfl = 25 s-1

); Flotação (Pressão na câmara de saturação = 400 kPa; Tempo de

saturação = 8 min; Taxa de recirculação = 15%). As velocidades de flotação ou ascensionais estudas para a

construção das curvas de flotação foram: 15; 10; 7,5; 5; e 2,5 cm/min).

Para cada água de estudo foram construídos diagramas de coagulação e então selecionou-se um par de valores

„dosagem de coagulante versus pH de coagulação‟ (para cada água de estudo), o qual foi empregado para se estudar

a influência da velocidade de flotação. Com isto foram coletados os dados para construção das curvas de flotação –

conforme metodologia proposta por Reali (1991).

Os diagramas de coagulação e curvas de flotação foram construídos tanto para a cor aparente como para a

absorvância a 253,7 nm, contudo em função da restrição de páginas deste artigo foram apresentados apenas os

resultados das curvas de flotação.

Para a reação de Fenton foram empregadas soluções de sulfato ferroso, FeSO4.7H2O, (granular, P.A., fabricante J.T.

Baker) com concentração de 10 g/L, e peróxido de hidrogênio, H2O2, (29%, P.A., fabricante Synth) com

concentração de 0,1 M. Para ajuste dos valores de pH foram usadas soluções 0,1 N de hidróxido de sódio, NaOH,

(perlas, A.R., fabricante Mallinckrodt) e ácido clorídrico, HCl, (36,5-38%, P.A., fabricante Synth).

Para as medidas de cor aparente e absorvância a 253,7 nm da água flotada foi levado em conta (em todos os ensaios)

o efeito de diluição causado pela introdução de água saturada proveniente do poço artesiano (sem cloro) do Campus I

da USP de São Carlos.

Resultados e Discussão

O par de valores „dosagem de coagulante versus pH de coagulação‟ selecionado no diagrama de coagulação (não

apresentado, conforme mencionado) para a água de estudo preparada para a fração das SH filtrada apenas na

membrana de 0,45 µm apresentou as seguintes dosagens de produtos químicos: 15 mg/L de FeSO4.7H2O; 5,5 mg/L

de H2O2; e 4,5 mg/L NaOH. As curvas de flotação para esta fração se encontram nas Figuras 1 e 2. As dosagens de

produtos químicos selecionadas para as frações filtradas na membrana de 0,45 µm e > 100 kDa, entre 30 e100 kDa e

menor que 30 kDa foram, respectivamente: 7,5 mg/L de FeSO4.7H2O; 2,75 mg/L de H2O2; e 3,0 mg/L NaOH (curvas

de flotação das Figuras 3 e 4); 20 mg/L de FeSO4.7H2O; 7,3 mg/L de H2O2; e 6,0 mg/L de NaOH (Figuras 5 e 6); e

40 mg/L de FeSO4.7H2O; 14,7 mg/L de H2O2; e 12,0 mg/L de NaOH (Figuras 7 e 8).

Observa-se nas Figuras 1 e 2, que as curvas de flotação para cor aparente remanescente e porcentagem remanescente

da absorvância a 253,7 nm apresentam o mesmo comportamento, nas quais as maiores eficiências de remoção foram

conseguidas para as menores velocidades ascensionais, 2,5 e 5 cm/min. A partir desta última velocidade há

progressivo aumento tanto nos valores de cor aparente como absorvância, indicando que, para a remoção por

flotação de SH extraídas de turfa de águas (para a água de estudo com a fração em questão), empregando o reagente

de Fenton como agente coagulante, devem ser empregadas velocidades ascensionais relativamente baixas (ou numa

unidade de escoamento contínuo baixas taxas de aplicação superficial, por volta de 72 m3/m

2.dia).

Observa-se que as Figuras 3 e 4 apresentam o mesmo comportamento, nas quais as maiores eficiências de remoção

foram conseguidas para as menores velocidades ascensionais, 2,5 e 5 cm/min, entretanto a velocidade ascensional de

7,5 cm/min também apresentou eficiências de remoção bem próximas.

4

Curvas de Flotação

0

10

20

30

40

50

60

70

80

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100

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15

Velocidade ascensional (cm/min)

Co

r A

pare

nte

rem

an

escen

te (

uH

)

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média

Figura 1. Curvas de flotação para os três jarros e para a média dos valores de cor aparente remanescente

para a água de estudo contendo a fração das SH filtrada apenas na membrana de 0,45 µm.


0

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20

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0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Po

rce

nta

ge

m R

em

an

es

ce

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da

Ab

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rvâ

nc

ia a

25

3,7

ηm

- (A

/A0)*

10

0

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média

Figura 2. Curvas de flotação para os três jarros e para a média dos valores de porcentagem remanescente da

absorvância a 253,7 nm [(A/A0)*100] para a água de estudo contendo a fração das SH filtrada apenas na

membrana de 0,45 µm.

5


0

10

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0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Co

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escen

te (

uH

)

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média


para a água de estudo contendo a fração das SH filtrada na membrana de 0,45 µm e > 100 kDa.


0

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0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Po

rce

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25

3,7

ηm

(A

/A0)*

10

0

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média


absorvância a 253,7 nm [(A/A0)*100] para a água de estudo contendo a fração das SH filtrada na membrana

de 0,45 µm e > 100 kDa.

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0

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20

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0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Co

r A

pare

nte

rem

an

escen

te (

uH

)

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média


para a água de estudo contendo a fração das SH entre 30 e 100 kDa.


0

10

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0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Po

rce

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ge

m R

em

an

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nte

da

Ab

so

rvâ

nc

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25

3,7

ηm

(A

/A0)*

10

0

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média


absorvância a 253,7 nm [(A/A0)*100] para a água de estudo contendo a fração das SH entre 30 e 100 kDa.

Nota-se, nas Figuras 5 e 6 que, para a fração das SH entre 30 e 100 kDa foram obtidas eficiências de remoção

similares para as velocidades ascensionais de 2,5, 5 e 7,5 cm/min e somente a partir desta última velocidade

observou-se progressivo aumento dos parâmetros medidos, diferentemente do que foi observado para a fração das

SH filtrada apenas na membrana de 0,45 µm e semelhante ao observado para a fração entre 0,45 µm e > 100 kDa.

7

Assim, em instalação de escoamento contínuo, para esta fração seria possível (e para a fração entre 0,45 µm e > 100

kDa) implementar taxas de aplicação superficial um pouco mais elevadas (da ordem de 108 m3/m

2.d).


0

10

20

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0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Co

r A

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te (

uH

)

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Jarro 3

Média


para a água de estudo contendo a fração das SH menor que 30 kDa.


0

10

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50

60

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100

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15


Po

rce

nta

ge

m R

em

an

es

ce

nte

da

Ab

so

rvâ

nc

ia a

25

3,7

ηm

(A

/A0)*

10

0

Jarro 1

Jarro 2

Jarro 3

Média


absorvância a 253,7 nm [(A/A0)*100] para a água de estudo contendo a fração das SH menor que 30 kDa.

8

Analisando-se os gráficos das Figuras 7 e 8 observa-se que as maiores eficiências de remoção novamente foram

conseguidas para as menores velocidades ascensionais, 2,5 e 5 cm/min; a partir desta última velocidade há

progressivo aumento dos parâmetros medidos. Para esta fração das SH foi obtida a maior inclinação das curvas de

flotação.

Uma análise geral das curvas de flotação para as diferentes frações de SH estudadas, mostra que as curvas de

flotação para a fração das SH filtrada apenas na membrana de 0,45 µm (que apresenta uma mistura de todas as

frações, Figuras 1 e 2) apresentaram comportamento semelhante ao das curvas de flotação para a fração das SH

menor que 30 kDa (Figuras 7 e 8). Para esta última fração a inclinação das curvas foi ainda mais acentuada. As

curvas de flotação para as frações intermediárias das SH, ou seja, entre 0,45 µm e > 100 kDa (Figuras 3 e 4) e entre

30 e 100 kDa (Figuras 5 e 6), também apresentaram comportamento semelhante entre si. Diante disto, pode-se inferir

que as moléculas de SH de menor tamanho molecular aparente (< 30 kDa) irão requer menor taxa de aplicação

superficial para serem removidas por flotação, em uma instalação de escoamento contínuo.

Conclusões

Com base no trabalho realizado, concluiu-se que águas com a mesma cor verdadeira, mas com moléculas de

substâncias húmicas de diferentes tamanhos, apresentaram diferentes comportamentos em relação às curvas de

flotação. Para a água de estudo preparada com as moléculas de SH de menor tamanho molecular aparente (< 30 kDa)

resultou menor velocidade de flotação para eficiências similares às águas de estudo preparadas com maiores

moléculas, e com isto, pode-se inferir que iriam requerer menor taxa de aplicação superficial para serem removidas

por flotação, em uma instalação de escoamento contínuo, ou seja, câmaras de flotação com maior área superficial.

Agradecimentos – Os autores agradecem à FAPESP pela concessão do Projeto de Auxílio

(processo nº 02/04622-1) e da bolsa de Doutorado ao primeiro autor (processo nº 02/07680-2) e

ao CNPq pela bolsa de Mestrado também ao primeiro autor. Os autores também desejam

expressar seus mais sinceros agradecimentos ao Prof. Titular Eduardo Fasto de Almeida Neves

(in memorian).

Referências Bibliográficas

De Julio, M.; Di Bernardo, L.; Neves, E.F.A. (2005) Remoção de substância húmicas de água por meio do reagente de

Fenton e da flotação por ar dissolvido. In: 23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Anais... Campo Grande,

MS, Brasil.

Di Bernardo, L.; Di Bernardo, A.; Centurione Filho, P.L. (2002) Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos

gerados em estações de tratamento de água. São Carlos. RiMA, 237 pp.

Ratnaweera, H.; Gjessing, E.; Oug, E. (1999) Influence of physical-chemical characteristics of natural organic matter

(NOM) on coagulation properties: an analysis of eight Norwegian water sources. Journal IAWQ. Water Science & Technology,

40(9), 89-95.

Rocha, J. C.; Sargentini Jr. E.; Toscano, I. A. S.; Rosa, A. H.; Burba, P. (2000) Multi-method study on aquatic humic

substances from the “Rio Negro” Amazonas State/Brazil. Emphasis on molecular-size classification of their metal contents. J.

Braz. Chem. Soc., 10, 169-175.

Reali, M.A.P. (1991) Concepção e avaliação de um sistema compacto para tratamento de águas de abastecimento

utilizando o processo de flotação por ar dissolvido e filtração com taxa declinante. 2v. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia

de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 373pp.

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995) 19ª ed. American Public Health Association,

American Water Works Association, Water Pollution Control Federation.

Documents

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