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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO – UPF FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - FEAR PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DISCIPLINA: TRATAMENTO DE ÁGUAS.

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1 UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO – UPF FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - FEAR PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DISCIPLINA: TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE EFLUENTES Prof. Marcelo Hemkemeier Prof. Paulo Roberto Koetz PASSO FUNDO/RS SETEMBRO/2009

2 CONCEITOS BÁSICOS soluções (<10Å) Dispersões dispersões coloidais ( Å) suspensões (>1000Å) Distribuição dos poluentes: sólidos dissolvidos Sólidos totais sólidos suspensos fixos voláteis fixos voláteis

3 CONCEITOS BÁSICOS Aplicações no tratamento de efluentes: –Caracterização de efluentes; –Monitoramento da planta de tratamento; –Identificação da DBO nas diferentes fases; –Determinação da biomassa (sólidos voláteis – % dos sólidos totais);

4 CONCEITOS BÁSICOS Escolha do tipo de tratamento físico- químico: Relação DBO/DQO(Tendendo a 1 – proc. biológico) Relação SSV/SV >80%: Decantação simples, flotação, precipitação química com coagulante ou variação de pH; Relação SDV/SV >80%: Adsorção com carvão ativo, oxidação química, precipitação química com elevação de pH;

5 CONCEITOS BÁSICOS Hidrofílicos Tipos de colóides Hidrofóbicos Estado coloidal Sol Gel Emulsão Aerosol

6 CONCEITOS BÁSICOS Reações de Oxi-Redução: provocam variação real ou teórica de um átomo –Oxidante: quem provoca a oxidação e por consequência se reduz (ganha elétrons); –Redutor: quem provoca a redução e por consequência se oxida (perde elétrons); Potencial de Oxi-Redução (POR): é a medida da capacidade de oxidação ou redução de uma substância/efluente

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8 CONCEITOS BÁSICOS Produtos químicos utilizados: –Precipitantes químicos –Auxiliares de floculação Sulfato de alumínio (+cal) Cloreto férrico (+cal) Polieletrólito catiônico Cal Tanino Polímeros (aniônico, catiônico, neutro) Silica ativada

9 CONCEITOS BÁSICOS Produtos químicos utilizados: –Correção de pH (efluente alcalino) –Correção de pH (efluente ácido) Gás carbônico Ácido sulfúrico Ácido clorídrico Cal hidratada Carbonato de cálcio Hidróxido de sódio

10 CONCEITOS BÁSICOS Produtos químicos utilizados: –Oxidantes –Redutores Cloro Peróxido Ozônio Bissulfito de sódio Dióxido de enxofre Metabissulfito de sódio

11 CONCEITOS BÁSICOS Produtos químicos utilizados: –Remoção de fósforo –Remoção de cor Sulfato de alumínio Cloreto férrico + cal Cal Cloro Ozônio Carvão ativo Coagulantes

12 CONCEITOS BÁSICOS Utilização recomendável dos Processos Físico-Químicos: –Poluentes inorgânicos dissolvidos ou não; –Metais pesados; –Óleos e graxas; –Cor; –Matéria orgânica não biodegradável tóxica

13 CONCEITOS BÁSICOS Mecanismo de escolha do processo de tratamento: RELAÇÃO DQO/DBO DQO < 2xDBO – Proc. Biológico DQO < 3-4xDBO – Proc. Físico-Químico

14 CONCEITOS BÁSICOS Tabela 1. Coagulantes mais usados

15 CONCEITOS BÁSICOS Tabela 2. Coadjuvantes/auxiliares mais usados

16 CONCEITOS BÁSICOS Rotina para escolha do processo de tratamento: Amostra do efluente bruto Caracterização: DQO, DBO, sólidos Jar test Efluente tratado Cálculo da eficiência Análise de custos

17 COAGULAÇÃO Mecanismos de coagulação: –Compressão da camada difusa; –Adsorção e neutralização de cargas; –Varredura; –Adsorção e formação de pontes;

18 COAGULAÇÃO Compressão da camada difusa: –Introdução de um eletrólito de carga oposta a do colóide, aumentando a densidade de cargas na camada difusa, ocorrendo a coagulação por compressão da camada difusa; –Aspectos: quantidade de eletrólitos é independente da concentração de colóides e não é possível a reversão do processo; –Efeito eletrostático; –Mecanismo associado principalmente aos sais de Al e Fe.

19 COAGULAÇÃO Adsorção e neutralização de cargas: –Espécies químicas capazes de adsorver na superfície do colóide, resultando em interações (ligações); –Estes fenômenos são superiores aos eletrostáticos; –Aspectos: dosagens menores para desestabilização; quantidades estequiométricas; possibilidade de reversão; –Importante quando remoção de partículas desestabilizadas ocorre em meio filtrante.

20 COAGULAÇÃO Varredura: –Dependendo do pH, dosagem do coagulante poderá ocorrer a formação de precipitados (Al(OH) 3 e Fe(OH) 3 ) ; –Mecanismo utilizado quando a floculação é seguida de decantação ou flotação antes da filtração; –Aspectos: dosagens maiores, faixa de pH mais estreita; o potencial zeta mínimo não corresponde às regiões ótimas de coagulação.

21 COAGULAÇÃO Adsorção e formação de pontes: –Mecanismo baseado na adsorção dos coagulantes à superfície das partículas coloidal, seguida pela redução da carga ou pelo entrelaçamento das partículas pelos polímeros ; –Coagulantes são polímeros naturais ou sintéticos de cadeia longa (polieletrólitos).

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23 Comparação entre os mecanismos de coagulação

24 Diagrama de coagulação do sulfato de alumínio

25 Mecanismos de coagulação e floculação

26 COAGULAÇÃO Mistura rápida entre o coagulante e o efluente provocando a hidrolisação, polimerização e reação com alcalinidade; Formação do gel e desestabilização das cargas (potencial zeta tendendo a zero); Tempo de reação = 1s; Mistura: misturadores hidráulicos ou mecânicos; Tempo de residência: 0,5 à 1,5min; Gradiente de velocidade: s -1.

27 COAGULAÇÃO

28 FLOCULAÇÃO Unidade de mistura lenta; Objetiva-se transformar o coágulo em partículas maiores, denominadas flocos; Gradiente de velocidade: 20-80s -1 ; Tempo de residência: 30min; Uso de auxiliares de coagulação (polieletrólitos); Floculadores hidráulicos ou mecânicos (velocidade não superior a 0,45m.s -1.

29 FLOCULAÇÃO

30 Estação compacta – sistema de flocodecantação seguido de filtração

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32 ELETRÓLISE Histórico; Eletrólise: Transformações químicas que ocorrem nos eletrodos e no meio onde estão inseridos pela passagem da corrente elétrica; Tratamento eletrolítico: aplicação da eletrólise ao tratamento de efluentes; O efluente é submetido uma diferença de potencial elétrico por conjuntos de eletrodos;

33 ELETRÓLISE Mecanismos: Eletrofloculação; Eletroflotação; Eletroxidação. Eletrodo positivo: anodo; Eletrodo negativo: catodo

34 ELETRÓLISE Arranjos de eletrodos

35 ELETRÓLISE

36 ELETRÓLISE

37 ELETRÓLISE Aplicações do processo eletrolítico: Remoção de metais; Remoção de DQO/DBO (coagulável); Remoção de substâncias recalcitrantes. Efluentes: Galvanoplastia; Hospitalares; Chorume; Abatedouros; Indústria petroquímica.

38 ELETRÓLISE Principais vantagens: Não geração de odores; Menor área; Facilidade e flexibilidade no controle do processo de tratamento; Menor quantidade de lodo; Remoção significativa de macronutrientes; Baixo custo de implantação; Ideal para pequenas vazões. Principais desvantagens: Custo de tratamento (alto consumo de energia e de eletrodos); Dificuldade de remover DQO/DBO solúvel.

39 PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA Oxidar compostos orgânicos complexos a moléculas simples, ou até mesmo mineralizá-las Baseado na geração de radical hidroxila (OH. ), altamente oxidante e não seletiva.

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41 PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA SistemaCom irradiaçãoSem irradiação Homogêneo O 3 /H 2 O 2 /UV O 3 /UV H 2 O 2 /UV Fe(II)/H 2 O 2 /UV O 3 /H 2 O 2 Fe(II)/H 2 O 2 Heterogêneosemicondutor/UV semicondutor/H 2 O 2 /UV Classificação

42 PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA Processos Homogêneos : Fotólise de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 /UV); Ozonização (O 3 /H 2 O 2 ;O 3 /UV;O 3 /H 2 O 2 /UV);

43 PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA FENTON Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH - + HO. Fe 3+ + H 2 O 2 Fe 2+ + HO 2. + H + HO. + RH R. + H 2 O R. + H 2 O 2 ROH + HO. HO. + Fe 2+ HO - + Fe 3+

44 PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POA FOTO-FENTON Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH - + HO. Fe 3+ + H 2 O + hv Fe 2+ + HO. + H + ( = 580 nm)

45 PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS Principais utilizações: –Efluentes recalcitrantes (chorume, textil, químico); –Remoção de substâncias específicas (fenóis, HCN, H 2 S); –Biorremediação de solos.

46 ELETRODIÁLISE O efluente é submetido uma diferença de potencial elétrico por dois eletrodos; Existência de membranas seletivas; Utilizada na dessalinização e desmineralização de águas; Método promissor na eliminação de nitrogênio e fósforo; Necessita pré-tratamento eficiente.

47 ELETRODIÁLISE

48 OSMOSE REVERSA Aplicação de força superior a pressão osmótica da solução no compartimento de solução concentrada; Aplicação restrita no tratamento de efluentes industriais; Reuso; Necessita pré-tratamento rigoroso.

49 OSMOSE REVERSA

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51 CARVÃO ATIVO Fixação de poluentes por adsorção na superfície; Material adsorvente possui área superficial elevada devido a porosidade; Remoção: cor, matéria orgânica dissolvida, fenóis, nutrientes e sólidos em suspenão; Sistemas são utilizados após sistemas de filtração com areia; Tempo de residência: 15-40min; Vantagem: capacidade de regeneração; Outras substâncias adsorventes: turfa, cinzas, areia, casca de extração de tanino.

52 CARVÃO ATIVO Filtro de carvão ativo

53 TROCA IÔNICA Fixação, em uma superfície sólida (fase estacionária), de íons, que se trocam por íons da solução de outra espécie (fase móvel); Vantagem: Capacidade de regeneração; Utilização em processos de galvanoplastia.

54 TROCA IÔNICA Troca iônica: Esquema

55 TROCA IÔNICA Troca iônica: efluente de galvanoplastia

56 TROCA IÔNICA

57 REMOÇÃO DE FÓSFORO Precipitação química: –Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 (E=90%) –3Ca P 4 3- Ca 3 (PO 4 ) 2 (E=50%) –Al 3+ + PO 4 3- AlPO 4 (E=95%) E=95% Dosagens devem ser determinadas experimentalmente.

58 REMOÇÃO DE NITROGÊNIO E FÓSFORO Esquema para remoção de fósforo e nitrogênio

59 REFERÊNCIAS Di BERNARDO, L.; DI BERNARDO, A. & CENTURIONE FILHO, P. L. Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. Editora Rima/São Carlos/SP. 237p, METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. Ed. McGraw Hill. 1334p, NUNES, J. A. Tratamento físico-químico de águas residuárias industriais. Editora triunfo/Aracajú/SE. 299p, Anais do XXII Congresso da Abes, 2003.


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