TECNOLOGIA DE OSMOSE REVERSA PARA TRATAMENTO DE EFLUENTES

HIDRICOS DE UMA FABRICA DE CELULOSE KRAFT BRANQUEADA

Alberto Ferreira Liman

Cesar A de Mattros Gaiaz

Marcio Rodrigues MenschlNei Rubens Lima

Suane Machado Vezzanil

t RIOCELL SA RS Brasil2 DOW SP Brasil

I Introdug5o

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No setor de celulose a nivel mundial esta se desenvolvendo inumeros trabalhos dedesenvolvimento abordando novos metodos de cozimento branqueamento recuperagao dequimicos e impactos ambientais A demanda international por tecnologias queproporcionem processor com efluente zero a crescente

Todos os projetos de novas fabricasja estao incluindo necessari amen te em sua analise paradefinigao da rota tecnol6gica os seguintes pontos

extensao ao maximo da deslignificagao antes do branqueamento propriamente ditoeliminagao do use de cloro molecular eou de compostos de cloro das sequencias debranqueamentoredugao do consumo de agua para processo e dos volumes de efluentes

A Riocell e uma empress conhecida internacionalmente como um bom exemplo de cuidadosambientais Ate 1990 ja tinham sido investidos o equivalente a US 200 milh6es valoresatualizados em equipamentos e na adogao de tecnologia avangada para garantir qualidadeambiental

No sentido de avaliar tecnologias que proporcionem processor com efluente zero aRIOCELL e a DOW iniciaram trabalho de parceria visando o desenvolvimento de estudospara tratamento de efluentes da fabrica de celulose por separagao por membranas

No presente trabalho szo descritos os experimentos realizados com nanofiltragao e osmosereversa os parametros monitorados bem como os principais resultados da etapa initial doestudo

Os resultados indicam a viabilidade tecnica de utilizar essa tecnologia como uma etapa dotratamento de efluentes de modo a permitir a reciclagem do permeado ao sistema de aguatratada da fabrica

Trabalho apresentado no 26 Congresso Anual de Celulose e Papel da ABTCP realizadoem Sao Paulo SP Brasil de 22 a 26 de novembro de 1993

545

2 Instalaao Industrial

A Riocell esta localizada na regiao sul do Brasil na margem direita do rio Guaiba pr6ximaa Porto Alege capital do Estado do Rio Grande do Sul numa regiao com cerca de 15milhoes de habitantes

21 Produgao de polpa

A Riocell tem capacidade para produzir cerca de 270000 tano de celulose kraf3branqueada de madeiras de acacia a de eucalipto destinadas a produgao de papei ederivados celul6sicos A linha de fibras consiste basicamente de linhas de lavagem de toraspicadores selegao de cavacos por tamanho peneiras digestor continuo Kamyr lavagempor difusao depuragao centrifuga e pressurizada lavagem em filtros rotativosdeslignificagao por oxigenio lavagem branqueamento por deslocamento em 3 torresdepuragao branqueada maquina de secagem cilindros secadores e enfardamento

Integrado com a linha de fibras existe o sistema de recuperagao que alem de gerar o vapore energia eletrica necessarios ao processo permite a recuperagao dos produtos quimicosusados no cozimento a eliminagao de fontes poluidoras

22 Estagao de Tratamento de Efluentes ETE

A ETE da Riocell a uma das mais completas do mundo sendo a unica na America Latina apossuir Tratamento Terciario para remogao principalmente de cor E composta dasseguintes etapas

I Pre Tratamento

Composto por grades mecanizadas desarenadores a tanque de neutralizagao com asfungbes de remogao de s6lidos grosseiros e corregao de pFl

II Tratamento Primario

Possui decantadores primarios que removem os solidos decantaveis e trocadores de calorque reduzem a temperatura ate 38C compativel para o tratamento biol6gico Naeventualidade de que o efluente nao atinja os parametros desejados para a etapa seguintepodera ser desviado para uma lagoa de emergencia retornando posteriormente ao inicio doprocessamento

III Tratamento secundario

Possui uma lagoa de homogeneizagao um reator fechado UNOX com adigao previa delodo reciclado e de nutrientes sendo finalizado com decantadores secundarios 0 sistema ede lodo ativado e a principal fungao e a redugao de DB05 e DQO Durante o processo osmicroorganismos consomem o oxigenio dissolvido no efluente sendo desta formanecessaria a introdugao continua de oxigenio com elevado teor de pureza

Parte dos compostos organoclorados tem alto peso molecular 1000 e nao saoremoviveis facilmente atraves de tratamentos primarios e secundarios convencionais

IV Tratamento terciario

Contem uma camara de mistura onde e feita a adigao de sulfato de aluminio a decantadoresterciarios As redugoes de cor e DQO sao os principais objetivos Finalmente os efluentestem o seu pH corrigido com cal passam por uma lagoa de polimento e sao langados ao rioGuaiba atraves de um difusor situado a 15 km da margem

546

V Sistema de lodo

Possui um tanque de mistura adensadores de lodo prensas desaguadoras eestocagem O lodo gerado nos tres tratamentos e extraido espessado desaencaminhado a um processo de decomposiYao para sua transformarao em feorganico

3 Principios da Teenologia de Separa ao per Membranas

3 l IntroduGao

A tecnologia de separapao por membranas tem por base o principio de que os comdas misturas liquidas ou gasosas de acordo com suas caracteristicas molecularespassar seletivamente atraves de uma determinada membrana em certas coperacionais

As separarbes com membranas que ja atingiram nivel de aplicaFdo industrial saoreversa ultrafiltraFdo microfiltrarAo dialise eletrodialise permearao depervaporaGao permearao de liquidos Na tabela I estes processor sao caracterizaforpa motriz da separagAo e pela natureza do material retido e do material permeadc

Tabela I Caracterizaiaodos Processes de Separaiao com Membranas 1

Processo Fora Motriz Material Retido Material Permem

Osmose Reversa diferenga de pressao todo material soluvel agua solvente7 60 atm ou sus enso PM50

Nanofiltragao difcrenga de pressrlo moldculas orgunicas agua solvenc3 14 atm PM 200 400 sais

de ions divaientes

Ultrafiltragao diferena de pressao coloides agua solvente1 7 atm macro moleculares sais

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Microfiluagao diferenga de pressao silica em suspens5o agua e solid

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Peso Molecular

32 Forma de ConstruGao e Material das TSembranas

Atualmente a forma mais comum de constn kao das membranas e o tipo Espiconstruao e composta de duas camadas de membrana coladas uma de cada ladtecido coletor sendo este conjunto bobinado em um tube perfurado fig 1 Estconstrudo no entanto e mais suscetivel a incrusta46es quando comparado a outrtdisponiveis no tnercado mas ofcrece Gusto de investimento menor

54

O material mais comumente utilizado atualmente a uma poliamida aromatica depositada emsuporte de polissulfona sendo esta combinaFao a melhor em termos de produtividadeperformance e durabilidade

33 NanofiltraFao NF

NanofiltraFao se reporta a um tipo especial de processo de separadao por membrana queabrange a rejeiFao de particulas de tamanho na faixa de 10 nan6metros 0 angstrons AnanofiltraFao opera em uma faixa intermediaria entre Ultrafiltrapao e Osmose Reversa erejeita moleculas organicas de peso molecular entre 200400 Sais de ions monovalentesapresentam uma faixa de rejeiFao de 2080 enquantao que sais de ions divalentes saorejeitados a niveis de 90 98 As aplicaFoes tipicas da nanofiltraFao incluem tratamento deefluentes remoFao de cor carbono organico total toc dureza a s6lidos dissolvidos daagua

34 Osmose Reversa OR

Quando duas solupoes com significativas diferenFas de concentrapao em determinadossolutos e portanto com diferentes niveis de atividade do solvente sao separadasfisicamente por uma membrana semipermeavel aquelas nas quais somente o solventepermeia o fen6meno da osmose ocorre ou seja o solvente deixa o lado mais diluido epassa atraves da membrana para o lado mais concentrado deixando para tras o que neleestava dissolvido

O fluxo cessa ao se atingir o equilbrio termodinamico Nestas condipoes a diferenFa depressao entre os dois lados da membrana 6 denominada pressao osm6tica Se for aplicadauma pressao superior a osm6tica do ado mais concentrado um fluxo de solvente nosentido inverso ocorrera resultando no final em um processo de concentraFao equivalentea uma filtraFao a nivel molecular Pressoes de operapao variam de 7 a 60 atm A Figura 2ilustra este processo

A OR envolve separagoes a escala i6nica com rejeiFao de particulas na faixa de 1 a 10angstrons aproximadamente A membrana de OR atua assim como uma barreira a todosos sais dissolvidos a moleculas inorganicas bem como a moleculas organicas com pesomolecular acima de 50 As moleculas de agua por outro lado passam livrenente atravesda superficie da membrana criando uma corrente de agua purificada O transporte da aguaatraves da membrana se da por difusao sendo essencial a boa afinidade com o material damembrana As rejeiFoes tipicas de sais dissolvidos atingem a marca de 95 a 99

341 AplicaFoes

A tabela II apresenta as principais aplicapoes das membranas de Osmose Reversa

RM

Tabela II Aplicqoes de Membranas de Osmose Reversa z

Atividade A lica 50

ProdugAo a tratamento de Agua dessahnizagAo de Agua do mar a Agua salobra agua paracaldeiras Agua super pura pre tratamento de Aguaindustrial

Separagdo concenlraSo e refino concentrag3o de sucos de frutas separagWconcentragao deaminoacidos refinoconcentrag3o de enzimas c vacinastratamento de li uidus fermentados

Industria farmaceutica produ de Agua pura esterilizadaRecuperagao de substancias processamento de soja pescado a arrido recuperagAo de

proteinas a agticares metais tintas lignina a xilosetratamento de residuos da destila Ao do Alcool

SeparagAo oleoAgua tratamento de Aguas residuais da industria petroquimicado processamento de petroleo do processamento de

orduras vc etais a animals emulsificados

Tratamento de esgotos desnitrificagao desfosforizagAo a dessalinizagAo de esgotosAra recu era Ao e reciclo

Processamentotingimento de t@xteis recuperag5o de corantes agentes de superficie a auxiliaresdas Aguas residuals

Industria nuclear des e o de Aguas radioativas

342 Conceitos tipicos

O processo de Osmose Reversa caracterizado pela separaao de soluto e solventeapresenta Conceitos tipicos t18 que podem ser compreendidos pela analise do fluxogramabasico

Concentrado

Alimentacao c Permeado

Pressao Osmotica e a pressao necessaria para que uma soludo diluida passe atraves deuma membrana semi permeave1 para outra solupao mais concentrada ate que se estabelega oequilibrio osmotico mesma concentraFao em ambos os lados da membrana

Permeado e a solupao rica em solvente apos a passagem pela membrana de separaao

Concentrado e a solupao remanescente que nao foi permeada pela membrana contendoos compostos rejeitados a passagem pela membrana peso molecular mais alto

Grau de recuperaao e a relaFao entre a vazao de permeado e a vazao de alimentapaoexpresso percentualmente

Eficiencia de retnosao e a relado de concentraFao no permeado em relaFao aconcentraFao na alimentagao para um determinado componente expressa percent ualmente

Vida util da membrana tempo de utilizaAo da membrana coin 100 de sua capacidadede permeaFao Em trabalho utilizando ultrafiltraFdo para tratamento de efluentes da unidade

5 9

de branqueamento de uma fabrica de celulose kraft o comportamento das membranaspermitem estimar o seu tempo de vida 6til em cerca de 25 anosis

343 Variaveis que afetam a eficiencia do Sistema

As figuras 3 a 6 apresentam o comportamento da eficiencia da remoao de sal dasmembranas de osmose reversa conforme as variai6es de pressao temperaturaconcentragao e pH da corrente de alimentaao

A elevapao nos parametros concentraFAo pH e temperatura provoca aumento na passagemde sal O incremento da pressao de alimentagao leva a um efeito contrario em fungao doaumento da velocidade superifjcial dificultando a permeagao

4 Experimentos

Os testes com a tecnologia de separagao por membranas foram realizados a nivel de escalade laborat6rio e piloto pars melhor compreensao do comportamento da membrana nosaspectos operational a capacidade de remogao de impurezas As membranas adotadasforam de nanofiltragao membrana DOW c6digo B 3027 a osmose reversa membranaDOW c6digo B 3048

Como pre tratamento para remogao dos s6lidos suspensos optou se por filtro de areiatamanho efetivo da areia 09 e filtro cartucho tipo CUNO de 5 a 10 m

Para controle da eficiencia da unidade foram adotados os parametros constantes da licenaambiental para o efiuente tratado e aqueles determinados para a especificapao de aguapotavel vide tabela III

As figuras 7 e 8 apresentam o desenho esquematico das unidades utilizadas

Tabela III Parametros de Controle

A ua Potnvel Valores Enuente Tratado Valores

pH 65 85 Cor ppm P1Co1 nao deve conferir mudangade coloragao acentuada aocorpo receptor no ponto delan amento

H 6085

Dureza pin 500 S61idos sus ensos m aid 30Sulfatos m 400 1 Dureza m CaCO aid 200

Cloretos m 250 Fen6is m aid 01Ferro m 03 F6sforo total aid 08Aluminio m 02 Nitro dnio total m aid 8

Turbidez m 10 Sulfetos m aid 018Cora creme 50 Clorctos m aid 300

Cloro Iivre misl 02 Mercurio m aid 0008S61idos dissolvidos 1000 Aluminio m aid 9

DBO5 m aid 20

DQO m aid 100

AOX aid 02 kg AOXton polpabran ueada seta ao ar

550

5 Resultados a Discussao

Conforme demonstrado na figura 9 a tecnologia de Osmose Reversa mostrouse macsatrativa quando comparada corn a nanofiltraFao uma vez que a mesma apresenta menorcapacidade de remoFao de ions monovalentes Como sodio e cloretos ions estes balisadoresda melhor qualidade de agua

Foi observada uma elevada taxa de remodo 90 para os compostos organocloradostanto pela utilizaqao de membranes de nanofiltraFao como de osmose reversa confirmandoobservapoes citadas em trabalhos com efluente alcalino do branqueamento 10

Alguns comentarios podem ser feitos com relaao aos testes realizados com a osmosereversa

51 Eficiencia

Segundo a figura 10 a eficiencia de remoFao do material dissolvido na corrente dealimentaFRo e bastante atrativa 90 sendo o Permeado possivel de ser reaproveitadocomo agua de processo o que pode ser demonstrado pela comparaF5o com os parametroslegislados e de controle do processo de produao de agua tabela III

52 Pre Tratamento

E indispensavel o use de sistema de pre tratamento para retenFdo do material emsuspensao uma vez que este e o maior causador de bloqueio na superficie da membranaEstudos futuros devem ser realizados na busca do melhor desempenho e menorcustobeneficio para esta etapa

53 Balanpo material

A figura 11 mostra o fluxograma concebido inicialmente para a utilizaao da OsmoseReversa no tratamento de efluentes de onde se pode depreender que a corrente concentradacarrega a maior pane de todos os contaminantes presentes no efluente de alimentado emum volume equivalente a 20 do volume de alimentaGao Por esta razao consideramos aprincipio seu retorno ao tratamento secundaro na ETE As tabelas IV e V apresentam oresultado do balanFo para 2 dois parametros de controle de efluente e agua de processoCI e AOX

Sistema Sistema

SecundSrio Terciario

Concentrado

Osmose Permead

Reversa

Sistemade Aguade Processo

Figura 1 I Fluxograma do Sistema de Tratamento de Etluentes incluindo osmose reversabase para balanFo material

551

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54 Considerag6es adicionais

0 investimento previsto para um modulo de tratamento de 370 m de efluenterecuperagRo 65 e da ordem de US 18 milh6es sera incluir prdtratamento

impostos fretes seguros a parte civil Para cada aplicagao deve ser realizado estudo deviabilidade econ6mica considerando estes a outros itens que possam ter impacto nosinvestimentos aou nos custos operacionais tipo e vida dtil da membrana possivel taxapaode captapao de agua a de langamento de efluentes etc

Rosain sugere os seguintes fatores para avaliapao de um programa de reutilizagao deefluente Como agua de processo

custos economia na captapao a tratamento de aguaadequagao a regulamentaFaopossiveis impactos na qualidade do produto aou agua de processoinflu6ncia sobre os parametros de controle de produgaoimagem perante e comunidade

6 Conclus6es

A RIOCELL e a DOW Produtos Quimicos v6m realizando trabalho de parceria corn afinalidade de verificar a viabilidade de aplicagao destes sistemas de separagao em algumasareas da unidade industrial de produgao de celulose As principais conclusoes obtidas naprimeira etapa do trabalho sao resumidas a seguir

Visando a utilizapao do permeado diretamente no sistema de agua tratada da fabrica aosmose reversa mostrouse mais eficiente do que a nanofiltragao principalmente cornrelagao aos parametros condutividade ions metalicos a cloretos

A utilizagao da osmose reversa possibilitou uma elevada efici6ncia de remopao des6lidos dissolvidos 93 turbidez 97 cloretos 92 e dos organocloradosexpressos como AOX 98 Foi obtida tamb6m alta remopao da alcalinidade 91dureza 99 a dos ions s6dio 95 potassio 99 ferro 97 calcio 99magn6sio 99 e aluminio 97 o que possibilita o envio direto do permeado acsistema de agua quimicamente tratada

0 use de pre tratamento para retengao de material em suspensao a indispensavel comoforma de aumentar o desempenho da membrana e o seu tempo de vida util

O trabalho de desenvolvimento esta sendo continuado corn a avaliagdo da etapa de pr6tratamento a determinaao do tempo de vida util da membrana Avaliagdo da viabilidadeecon6mica deve considerar estes a outros itens que possam ter impacto nosinvestimentos aou nos custos operacionais tipo de membrana formas debombeamento possivel taxagao de captagao de agua a de langamento de efluentes

7 Refer6ncias Bibliograficas

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Mateirias do MCT

554

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9 Rosa M e Pinho MNCharacterization of bleaching kraft effluent by ultrafiltrationsnt

10 Afonso MD et allii Nanofiltration removal of chlorinated organic compounds fromalkaline bleaching effluents in a pulp and paper plant Instituto Superior T6cnicoLisboa Portugal sd

Agradecimentos

Agradecemos a todos os funcionarios da RIOCELL e da DOW que direta ou indiretamenteparticiparam de etapas deste trabalho

555

11A11 AITDI

TUBO

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12SWITAMipiel

FIG 1 DESENHO ESQUEMATICO DE CONSTRUqAO DO MbDULO EM ESPIRAL

SOLVC ODIUDA

MEMBRANA SEWPERMEAVEL

OSMOSE INVERSA

FIG2 SISTEMA DO PROCESSO DE OSMOSE I OSMOSE REVERSA

556

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