I-072- FILTRAÇÃO DIRETA DESCENDENTE, SEGUIDA DE … · tais como a manganita e a pirolusita, ... da temperatura, ... a garantia de uma dispersão eficiente do oxidante na massa

21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

ABES – Trabalhos Técnicos 1

I-072- FILTRAÇÃO DIRETA DESCENDENTE, SEGUIDA DE COLUNA DECARVÃO ATIVADO GRANULADO, NA REMOÇÃO DE FERRO EM ÁGUAS

SUBTERRÂNEAS

D’artagnam Gomes Nascimento Filho(1)

Técnico em Saneamento pelo SENAI/PARANÁ(1989). Técnico da unidade de tratamento econtrole de qualidade de água da Unidade de Negócio de Feira de Santana / EMBASA.

Endereço(1): Conjunto João Paulo II, rua L, casa 90, Mangabeira, Feira de Santana - BA,CEP 44.034-470 – Brasil Tel.: (75) 623 - 2633 ; Cel. : (75) 9132 – 9130 – Fax . : (75) 221– 3821 e–mail : [email protected] / [email protected]

RESUMO

No Brasil muitas regiões convivem com excesso de ferro nas águas subterrâneas, particularmente aquelascaptadas em terrenos antigos e aluviões, o ferro é encontrado com maior freqüência sob a forma de bicarbonatoferroso dissolvido, em águas que devido à ação de filtração lenta através das camadas permeáveis do solo,apresentam-se com baixos teores de cor e turbidez, agressivas (pH baixo), ricas em gás carbônico e com baixooxigênio dissolvido.As águas contendo ferro dissolvido na forma de bicarbonato ferroso na ausência de oxigênio são límpidas e deaparência agradável, após contato com o ar, o bicarbonato oxida-se e precipita-se, ocasionando o mau aspecto,conferindo coloração avermelhada à água e outros inconvenientes (sabor "metálico", possibilita ainda odesenvolvimento de bactérias ferruginosas).Como na maioria das vezes o ferro esta presente junto com a matéria orgânica, as águas, em geral, nãodispensam o tratamento químico e a filtração. Neste contesto a oxidação com cloro e a filtração diretadescendente seguida de coluna de Carvão Ativado Granulado ( CAG ) apresenta-se como alternativa técnica eeconomicamente viável para adequação destas águas, com teores de ferro da ordem de 1,0 a 4,5 mg / l Fe.Os testes até então realizados demonstram a eficiência do leito misto areia e CAG para remoção dos compostosindesejáveis gerados pela oxidação com o cloro, sendo necessário o acompanhamento do processo paraidentificar o ponto de saturação do CAG, os residuais de ferro ( na forma de hidróxido férrico ) são removidoscom eficiência da ordem de 80 a 90 % da concentração afluente.Neste trabalho são apresentados dados e resultados conclusivos que evidenciam a potencialidade do processo deremoção de ferro, fruto da experiência da implantação de 06 unidades que encontram-se em plena operaçãoatestando a eficiência e eficácia da técnica .

PALAVRAS-CHAVE: Filtração direta descendente, Remoção de ferro, Carvão Ativado Granulado.

INTRODUÇÃO

O caminho seguido pelas águas na natureza condiciona as impurezas que elas adquirem segundo Plínius -Tales sunt aque, qualis terra per quan fluunt ( tais são as águas, quais caminhos percola, com sentido dequalificação, ou seja, a qualidade é função de seu percurso, já que é solvente universal ).

O ferro e o manganês são constituintes naturais do solo e das rochas. O ferro um dos elementos maisabundantes é encontrado com muito mais freqüência que o manganês. O ferro se encontra nos minerais desilicatos das rochas ígneas, sob forma de diversos óxidos, tais como a magnetita, a hematita e a limonita. Osminerais sulfurados e carbonatados também são fontes importantes de ferro, tais como a pirita e a siderita, omanganês se encontra em maiores proporções nas rochas metamórficas e sedimentares, os óxidos de manganêstais como a manganita e a pirolusita, se acumulam nos solos à medida que os constituintes mais solúveis seseparam por lixiviação.A dissolução dos minerais de ferro e manganês é atribuída à ação do dióxido de carbono nas águas subterrâneas,a maior parte deste dióxido de carbono se forma pela decomposição bacteriana da matéria orgânica extraída dosolo, a dissolução desses minerais pode ocorrer em condições anóxicas e na presença de agentes redutores


ABES – Trabalhos Técnicos2

(como, substancias orgânicas e sulfeto de hidrogênio) capazes de reduzir os compostos oxidados de ferro emanganês aos estados ferroso (Fe2+) e manganoso (Mn2+).

A maioria das águas naturais possui uma quantidade significativa de alcalinidade, isto é, possui carbonatos ebicarbonatos, o que faz com que a faixa de valores de pH varie entre 5,0 e 9,5. As concentrações de ferro emanganês solúveis contidas nessas águas são freqüentemente controladas pela solubilidade de seus carbonatos.Como a alcalinidade da maioria das águas naturais é devida, principalmente, ao sistema ácido carbônico existeuma relação inversamente proporcional entre a alcalinidade e a concentração de ferro solúvel na água.

Quando expostos ao ar, as formas reduzidas de ferro e manganês (Fe2+ e Mn2+ respectivamente )vagarosamente se transformam na forma insolúvel (Fe3+ e Mn4+ ) e visível pela oxidação, em águas comoxigênio dissolvido, Fe3+ e Mn4+ são os únicos estados de oxidação estáveis para o ferro e o manganês, asformas químicas associadas a essas duas espécies são altamente insolúveis.

A taxa de oxidação de compostos solúveis de ferro e manganês em águas depende do valor do pH, daalcalinidade, da temperatura, do teor de matéria orgânica, do tipo e concentração do oxidante e do grau dedispersão do oxidante na água.

A oxidação do Fe2+ na ausência de matéria orgânica resulta em velocidades de oxidação extremamente altas, jáquando este encontra-se complexado com carbono orgânico dissolvido (Matéria Orgânica) esta velocidade éacentuadamente diminuída, o Fe2+ complexado por ácidos fúlvicos, pode ser oxidado pelo cloro, desde quehaja tempo de contato (>1 h) e uma dosagem de oxidante (cloro) superior aquela requeridaestequiometricamente. Para soluções de ferro reduzido contendo ácidos húmicos e fúlvicos, dosagensadicionais de oxidante devem ser aplicadas para satisfazer a demanda competitiva exercida pela matériaorgânica . Haja vista que a cinética das reações de oxidação sofrem influencia de inúmeros fatores de difícilparametrização, a garantia de uma dispersão eficiente do oxidante na massa liquida torna-se fundamental (algumas dessas reações processam-se em 0,1 s).

OXIDAÇÃO DO FERRO PELO CLORO

Na tabela 1, são apresentados, resumidamente, dados relativos à estequiometria das reações de oxidação deferro e manganês quando o cloro é utilizado como oxidante.

Tabela 1: Quantidade de oxidante necessária, estequiometricamente, para oxidação de 1 mg deferro ou de manganês. (fonte – DI BERNARDO, 1993 adaptado)

Relação estequiométrica (mg de oxidante pararemover 1 mg de ferro ou de manganês)Tipo de reação

Ferro ManganêsOxidação de ferro (II) ou manganês (II) com cloro

Cloro requerido (Cl2)

Íons hidrogênio produzidos (H+)

Alcalinidade consumida ( CaCO3)

0,64

0,05

2,70

1,29

0,07

3,64

O cloro foi o agente oxidante empregado no processo, na forma de hipoclorito de cálcio (Ca(OCl)2). Quandoo cloro é adicionado em água, tem-se :

Cl2 + H2O HOCl + H + + Cl - equação (1)

O ácido hipocloroso dissocia–se instantaneamente em função do pH do meio:

HOCl H + + OCl - equação (2)



A reação de oxidação do ferro pelo cloro pode ser expressa :

2Fe+2 + 3HOCl + 3H2O 2Fe(OH)3 + 3Cl - + 3H+ equação (3)

O Fe(OH)3 por sua vez se hidrolisa segundo :

Fe(OH)3 Fe +3 + 3OH - Fe2O3 . n . H2O equação (4)

COAGULAÇÃO

DI BERNARDO (1993) explicita que a coagulação, geralmente realizada por sais de alumínio e ferro, resultade dois fenômenos, o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e naformação de espécies hidrolisadas dotadas de cargas positivas, que depende da concentração do coagulante epH final da mistura. O segundo fenômeno, fundamentalmente físico, consiste no mecanismo de transporte dasespécies hidrolisadas para que realizem contato com as partículas presentes na água. O processo é muito rápidovariando desde décimos de segundo a cerca de 100 segundos, dependendo das demais características da massade água ( pH, temperatura, quantidade de impurezas, etc. ).

No caso do processo de coagulação por adsorção-neutralização, as substâncias húmicas preferencialmente sãoremovidas através de sua precipitação com espécies hidrolisada de ferro. O mecanismo de adsorção-neutralização de cargas é muito importante quando o tratamento é realizado através da filtração direta, pois nãohá necessidade da produção de flocos para posterior sedimentação, mas, de partículas desestabilizadas que serãoretidas no meio filtrante.

Os hidróxidos gelatinosos de Fe(OH)3 por serem formados de partículas muito pequenas, possuem superfíciesespecíficas muito grandes, daí o fenômeno de adsorção ser muito forte e contribuir para o arraste de grandequantidade de impurezas. A carga elétrica das suas superfícies depende do pH do meio.

O coagulante utilizado foi cloreto férrico, para elevação da eficiência do processo o pH foi mantido na faixa de7,5 a 8,5 , com aplicação de hidróxido de sódio em solução (na pré-alcalinização e correção do pH), aplicadocom dosadora eletromagnética, a alcalinidade da água bruta foi acompanhada e igualmente corrigida, de modo aatender a relação de 2,5 a 3,0 mg/l CaCO3 para cada mg/l de ferro a ser removido, polímero não iônicoFLOERGER ( SNF ) na dosagem de polímero 0,01 mg / l, o tratamento vem sendo feito com dosagem decloreto férrico de 8 a 10 mg / l.

MISTURA RÁPIDA

Segundo AMIRTHARAJAH (1989) as reações que precedem a coagulação pela adsorção-desestabilização sãoextremamente rápidas e ocorrem em frações de segundo. Para esse mecanismo de coagulação,AMIRTHARAJAH considera imperativo que o coagulante seja disperso no fluxo de água bruta tão rapidamentequanto possível, pois os produtos de hidrolise, que causam a desestabilização dos colóides, se desenvolvemnum tempo de 0,01 a 1 s.

De modo a elevar a eficiência do processo de oxidação e coagulação por neutralização de cargas a aplicação dooxidante (hipoclorito de cálcio) e do coagulante (cloreto férrico) foram feitas em condições satisfatórias dehomogeneidade e mistura com a massa liquida, obtida com a elevação do gradiente de velocidade no ponto deaplicação mediante a Utilização de um filtro tipo vórtice, que utiliza a força centrifuga para fazer a separaçãosólido - líquido , alem de dispor de uma tela em 100 micra que faz a filtração grosseira.



FOTO 1 – misturador hidráulico tipo filtro Vu – Flow

UNIDADE DE FILTRAÇÃO DIRETA DESCENDENTE

A retenção de partículas em meio poroso efetua-se por intermédio da conjunção dos mecanismos de transportee aderência. A prevalência de um ou outro mecanismo é função das características do afluente e dos grãos queconstituem o meio poroso. As menores dimensões dos poros de um leito de areia são da ordem de 500 µm,enquanto os flocos apresentam dimensões de 0,1 a 30 µm. Para as partículas de menores dimensões, que nãosão retidas pela ação de coar do leito filtrante, a sedimentação, a interceptação e a difusão constituem osprincipais mecanismos de transporte responsáveis pela eficiência da filtração.

Nesta vertente, o emprego de auxiliares de coagulação, neste trabalho como já fora relatado utilizamos umpolímero não iônico, algumas literaturas referem-se a utilização de polímeros catiônicos, concorre para aformação de flocos mais resistentes ao cisalhamento, possibilitando a sedimentação de partículas noscanalículos formados nos interstícios do leito filtrante e carreiras de filtração mais longas, decorrente da maiorpenetração de flocos nas camadas inferiores do leito filtrante.

Aliado aos mecanismos de transporte, a remoção das partículas suspensas efetua-se também por aderência aosgrãos do leito filtrante ou às próprias partículas desestabilizadas anteriormente depositadas sobre os mesmos.Uma vez que as forças de repulsão são minimizadas pela ação do coagulante, a colisão das partículasdesestabilizadas com os grãos – recobertos ou não – pode permitir a prevalência das forças de atração de Vander Waals.

Estas unidades tem apresentado eficiência na remoção de ferro da ordem de 80 a 90 % da concentraçãoafluente. A unidade de filtração utilizada foi o filtro básico de pressão utilizado em sistemas de irrigação,com diâmetros variáveis de 16 a 25 polegadas, em aço carbono com pintura ante corrosiva , dotada de sistemade drenos de fundo tipo bocais difusores.

O leito filtrante destas unidades composto de areia com tamanho efetivo 0,9 mm e coeficiente deuniformidade < 1,6 , a espessura do leito variou de 0,8 a 1,10 m dependendo do tamanho do filtro. A taxa defiltração das unidades foi limitada em 400 m³ . m² / dia, de modo a garantir o tempo de retenção necessáriopara a oxidação e coagulação, no próprio leito, do ferro contido na água bruta.

A retrolavegem da unidade de filtração se faz a contra corrente, com água tratada, algumas unidades foramautomatizadas com válvulas hidráulicas que através de um programador horário, atendendo a um programa prédefinido executa a operação de retrolavagem sem nenhuma intervenção .

VentosaFluxo

Misturador

DescargaPonto paraamostragem



FOTO 2 – Filtro descendente em aço carbono

COLUNA DE CARVÃO ATIVADO GRANULADO

A utilização do CAG no processo de tratamento de água pode se dar na forma de sistemas pós filtros-adsorvedores ou como filtros-adsorvedores. No primeiro caso, o processo unitário de adsorção está localizadoà jusante da unidade de filtração, ambas ocorrendo de forma independente. No segundo caso, ambos osprocessos de filtração e adsorção ocorrem em uma mesma unidade, neste trabalho utilizamos um sistemainstalando um pré-filtro descendente de areia, em seguida uma unidade com leito misto de areia e CAG,caracterizando o segundo caso.

Filtro

Afluente, água coagulada

Programadorautomático dedescargas

Misturadorhidráulico

Efluente,água filtrada



FIGURA 3 - Configuração dos métodos de utilização do CAG no processo de tratamento de água GRAESE et al. (1987).

Sistema pós-filtro adsorvedor

Sistema filtros adsorvedores

Em uma carcaça similar a unidade de filtração descendente, foi montado um leito misto de areia e CAG,visando o polimento do efluente do filtro de areia e remoção do hidróxido férrico particulado e remanescentedo processo anterior, dos residuais de cloro, dos THM’s por ventura formados pela reação do cloro com amatéria orgânica combinada ao ferro, que é igualmente oxidada no processo.

As características básicas do leito desta unidade é : areia com diâmetro efetivo 0,35 mm coeficiente deuniformidade 1,4 a 1,6 . O CAG utilizado, a base de casca de coco, com diâmetro efetivo de 0,80mm ,Coeficiente de uniformidade < 1,6, n.º, pH 8-10, densidade 460 a 550 kg/m³. Como esta unidade trabalha emserie com a filtração direta a taxa mantida foi de 400 m³ . m² / dia.

RESULTADOS

Como o trabalho apresentado foi desenvolvido em varias unidades e a intenção é a demonstração dametodologia, apresentamos os resultados obtidos com o tratamento de dois tipos distintos de água, umacontendo ferro solúvel e alcalinidade natural e outra com acentuado teor de ferro contudo com baixaalcalinidade natural, foram classificadas com Água A e B, respectivamente.

TABELA 2 : Características das águas naturais empregadas no trabalho

SEDIMENTAÇÃO FILTRAÇÃO ADSORÇÃO

SEDIMENTAÇÃO FILTRAÇÃO/ADSORÇÃO

A BPh 6,6 5,4Alcalinidade ( mg/l CaCO3) 48,5 13Cor aparente (uC) 35 20Turbidez (uT) 3,8 2,4Ferro II (mg/l Fe) 4,3 3,5Ferro III (mg/l Fe) 0,5 0,3Temperatura (ºC) 23,1 22,5

ÁguaParâmetro

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