Química das Águas - parte 3

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1 QUÍMICA AMBIENTAL Química das Águas - parte 3 Purificação de águas -Tratamento de água para abastecimento - Tratamento de esgoto Prof. Rafael Sousa Departamento de Química UFJF 2º período de 2014

2 INTRODUÇÃO A ÁGUA usada para ABASTECIMENTO A água para essa finalidade sempre deve ser tratada? FONTES potáveis: Processo de desinfecção FONTES não potáveis: Estação de Tratamento de Água (ETA) FONTES de água para abastecimento Águas superficiais (geralmente menos puras ) Expostas continuamente a vários tipos de poluentes Águas subterrâneas FIGURA: acessada

3 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DA ÁGUA (ETA) PROCESSO REALIZADO EM ETAPAS 1º- Coagulação/floculação 2º- Decantação 3º- Filtração 4º- Desinfecção Estas operações têm como principais objetivos: - A remoção de material particulado, bactérias e algas - Remoção da matéria orgânica dissolvida que confere cor à água -.Remoção ou destruição de organismos patogênicos tais como bactérias e vírus Estas operações podem sofrer variações dependendo da fonte de água e dos padrões de qualidade a serem alcançados 3

4 A ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DA ÁGUA Esquema simplificado de uma ETA * (Linha líquida) A ETA também tem uma estação de tratamento de sólidos (Linha sólida) São os resíduos gerados na Linha líquida (*) acessado dia

5 1 a - Captação AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA A água que chega à Estação de Tratamento de Água é captada diretamente nos rios (águas superficiais) ou no subsolo (águas subterrâneas) 2 a - Gradagem LINHA LÍQUIDA São retirados da água os resíduos de maior dimensão como folhas, ramos, embalagens, etc., que ficam retidos em grades por onde a água é forçada a passar 3 a - Floculação/ coagulação PROCESSOS DE CLARIFICAÇÃO São formados flocos com as susbtâncias dispersas e um reagente floculante: os contaminantes co-precipitam com o Al(OH) 3, p. ex., na etapa de Decantação melhora os índices de cor e sabor (partículas < 10-4 mm) e, turbidez (partículas > 10-4 mm) 5

6 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA Floculação/ coagulação São formados flocos com as susbtâncias dispersas e um reagente floculante: os contaminantes co-precipitam com o Al(OH) 3, p. exx., na etapa de Decantação melhora os índices de turbidez (partículas > 10-4 mm), cor e sabor (partículas menores que 10-4 mm) - Uso de agentes floculantes : Al 2 (SO 4 ) 3, sais de ferro e polímeros orgânicos Necessidade de remoção de Mg 2+ : Al 2 (SO 4 ) 3 + NaAlO 2 Ex de reação em água levemente alcalina: Al 2 (SO 4 ) 3 14,3 H 2 O + 3Ca(HCO 3 ) 2 2 Al(OH) 3 + 3CaSO 4 + 6CO ,3H 2 O ANÁLISES PRÉVIAS são importantes para ajustar o ph, quando necessário 6

7 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA Esta etapa é realizada em câmaras (floculadores) onde a água é levemente agitada, facilitando a aglutinação de impurezas Água superficial sendo tratada em uma ETA, após a adição de um agente floculante Parte da purificação da água ocorre por meio de um processo de transferência de fase 7

8 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA 4 a - Decantação É um processo de separação física das partículas em suspensão, clarificando a água e reduzindo em grande porcentagem as impurezas As partículas decantadas, mais pesadas que a água, ficam depositadas no fundo do decantador Processo que dura, em média, 3 h 5 a - Filtração A água passa por filtros de areia e/ou carvão ativado, nos quais ficam retidas as partículas pequenas (não decantadas) e uma infinidade de substâncias solúveis (adsorção no carvão) melhora mais acentuada nas características como odor e sabor PROCESSOS DE DESINFECÇÃO 8

9 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA 6 a - Desinfeção Geralmente cloração ou ozonização ou radiação UV) É a eliminação de microorganismos não retidos nas etapas anteriores Adição de cloro (gás ou solução de hipoclorito) Fluoretação: adição de flúor (fluorsilicato de sódio ou ácido fluorsilícico) H 2 SiF 6 9

10 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA (DESINFECÇÃO) A desinfecção ocorre para assegurar que a água esteja livre de microorganismos patogênicos Os processos utilizados tem vantagens e desvantagens! A cloração é o método de desinfecção mais comumente utilizado na maioria dos países É um método confiável, de relativo baixo custo, simplicidade operacional e cujo excesso, no tratamento, favorece a biossegurança no armazenamento e transporte da água tratada 10

11 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO Reações químicas: O gás cloro reage quase completamente com a água formando o ácido hipocloroso: Cl 2 + H 2 O HOCl + H + + Cl - Em meios mais alcalinos, o ácido hipocloroso se dissocia, gerando os íons H + e OCl - : HOCl H + + OCl - ESPÉCIES BACTERICIDAS DE CLORO LIVRE MAS o Cl 2 reage também com outras espécies presentes na água, antes de se converter em HOCl ou OCl - Problema : o cloro reage com substâncias orgânicas presentes na água produzindo trialometanos (THM): CHX 3 (X = cloro, bromo ou uma combinação de ambos) 11

12 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO... Problemas da desinfecção com cloro! O composto de maior preocupação é o CHCl 3 : clorofórmio Produto da reação do HOCl com matéria orgânica Os THM não são removidos da água através do tratamento convencional!! Deve-se assegurar que a matéria orgânica esteja ausente da água que vai ser submetida à cloração! O risco de contrair doenças causadas por esses compostos é menor do que o de contrair doenças por organismos patogênicos! 12

13 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO E DIÓXIDO DE CLORO Outro problema da desinfecção com cloro Se a água contém fenol ou um derivado, o cloro substitui facilmente os átomos de hidrogênio do anel para dar lugar a fenóis clorados que além do gosto e odor ofensivos, são tóxicos Troca-se o cloro por dióxido de cloro quando o suprimento de água bruta está contaminado temporariamente com fenóis, sendo isto usando especialmente nos EUA e Europa. ENTRETANTO, o uso do ClO 2 propriamente Reação de obtenção Obtenção a partir de clorito: ClO -. 2 ClO 2 oxidação não é uma cloração + e - (realizada in situ) 13

14 CONSIDERAÇÕES SOBRE O TRATAMENTO DA ÁGUA: DESINFECÇÃO COM CLORO E DIÓXIDO DE CLORO Desvantagens na utilização de dióxido de cloro Assim como o ozônio, não pode ser estocado (explosivo) sendo gerado in situ Pequenas frações de dióxido de cloro são convertidas em íons ClO 2 - e ClO 3- cuja presença RESIDUAL na água final pode causar problemas de saúde Vantagens na utilização de dióxido de cloro O dióxido de cloro não é um agente de cloração: geralmente não introduz átomos de cloro nas substâncias com as quais reage Oxida a matéria orgânica formando quantidades muito menores de subprodutos orgânicos tóxicos que quando é usado cloro molecular 14

15 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA IMPORTÂNCIA DAS ANÁLISES DE CONTROLE ETAPA FINAL: análises físico-químicas e microbiológicas para atestar a qualidade da água (Portaria número 2914 do Ministério da Saúde, de 12 de dezembro de 2011) ARMAZENAGEM DISTRIBUIÇÃO PARA AS RESIDÊNCIAS (podem ocorrer contaminações) 15

16 AS ETAPAS DO TRATAMENTO DA ÁGUA No tanque de decantação ficam resíduos: tratamento da Linha SÓLIDA Desidratação de Lamas Sobram resíduos provenientes dos processos de clarificação: lamas São encaminhadas para a desidratação (estabilização química e estabilização microbiológica) devido à grande quantidade de água - A desidratação (secagem) pode ser feita de várias formas: evaporação em leitos, uso de filtros (tipo prensa), etc - A lama tratada é transportada para um destino final adequado, sendo possível o seu aproveitamento como adubo orgânico: Composição, em % média, de lamas de ETAs após tratamento 16

17 Recapitulando... Águas naturais podem estar POLUÍDAS Tratamentos químicos são necessários para assegurar a saúde dos consumidores - Desinfecção microbiológica (águas com parâmetros de potabilidade adequados) - Tratamento em estação de tratamento de água (descontaminação física química microbiológica) Águas residuais também precisam de tratamento - Convencionais : Tratamento de esgoto - Específicos (Processos Oxidativos Avançados POAs): Efluentes químicos 17

18 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS (Tratamento de esgoto) A necessidade (ou importância) do tratamento? O esgoto, sem tratamento, provoca dois efeitos negativos na água em que é lançado : 1) Diminuição do O 2 dissolvido 2) Aumento na emissão de gases do efeito estufa (CH 4 e CO 2 ) Possibilidades para tratamento decomposição da matéria orgânica antes do seu lançamento em corpos de água 1) Tratamentos aeróbios 2) Tratamentos anaeróbios 3) Tratamento misto (processo aeróbio combinado a um anaeróbio) 18

19 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS O esgoto doméstico não tem apenas matéria orgânica Contém 99,9% de água e 0,1% de sólidos: - sólidos suspensos - sólidos dissolvidos - matéria orgânica não dissolvida - nutrientes minerais - N e P (principalmente) - organismos patogênicos - vírus, bactérias, protozoários e helmintos O esgoto deve ser tratado em local apropriado (Estações de Tratamento de Efluentes ETEs) A água resultante pode ser: - Reutilizada (processos industriais) - Lançada nos rios 19

20 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS O tratamento convencional envolve 3 etapas principais Tratamento preliminar - Remoção de sólidos grosseiros e areia Utilização de grades e caixas de sedimentação (Caixa de areia) Tratamento primário - Remoção de sólidos sedimentáveis, substâncias flutuantes e parte da matéria orgânica EM SUSPENSÃO Utilização de decantadores (tanques) no qual o sólido sedimentado é chamado de LODO PRIMÁRIO BRUTO Tratamento secundário - Remoção da MATÉRIA ORGÂNICA dissolvida e daquela ainda em suspensão Utilização de processos que empregam microorganismos 20

21 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário - secundário Tratamento do lodo ESGOTO TRATAMENTO PRIMÁRIO Latas Papelão Tecidos... Sedimentação da areia 21

22 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo TRATAMENTO PRELIMINAR TRATAMENTO SECUNDÁRIO Decantador Sólidos sedimentáveis Matéria orgânica (suspensão) 22

23 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo TRATAMENTO PRIMÁRIO Degradação biológica LANÇAMENTO EM RIOS Remoção : - Matéria orgânica dissolvida - Matéria orgânica ainda em suspensão Diferentes processos: - Decomposição aeróbia e/ou anaeróbia - Diferentes configurações da estação (volume e custo) 23

24 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Sistemas aeróbios usados para o Tratamento secundário Lagoas de estabilização Sistemas de lodo ativado Lagoas de estabilização exemplos: - Lagoas facultativas: decomposição natural, em contato com o ar e a luminosidade ambientes mais simples, adequadas: pequenas comunidades - Lagoas anaeróbias lagoas facultativas sistema de duas lagoas, eficiência (e custo) superior 24

25 Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Sistemas aeróbios usados para o Tratamento secundário Lagoas de estabilização exemplos: - Lagoas facultativas - Lagoas anaeróbias lagoas facultativas VARIAÇÕES... Lagoa aeradada facultativa: (processo aeróbio) catalisado pela aeração bastante eficiente, custos consideráveis Lagoa aerada de mistura completa lagoa de decantação: sistema que envolve processos de aeração e agitação eficiente, rápido mas exige uma lagoa de decantação 25

26 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Ilustração da Lagoa aerada facultativa ESGOTO As Lagoas de estabilização envolvem principalmente processos aeróbios 26

27 TRATAMENTO DE EFLUENTES DOMÉSTICOS Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Sistemas aeróbios usados para o Tratamento secundário Sistemas de Lodo ativado - Composição básica: 1) Reator (tanque de aeração) Processo de degradação (aeróbio) 2) Decantador Lodo residual (composição básica: microorganismos) 3) Sistema de recirculação de lodo Parte do lodo residual alimenta o reator ou tanque para aumentar a concentração de microorganismos 27

28 Descrição do tratamento convencional Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Sistemas aeróbios usados para o Tratamento secundário Ilustração de um sistema convencional de Lodo ativado ESGOTO 28

29 Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Sistemas aeróbios usados para o Tratamento secundário Sistemas de Lodo ativado Outros sistemas possíveis (variações): Lodos ativados de aeração prolongada - Não possuem o decantador primário mas levam mais tempo para degradarem todo o material orgânico Lodos ativados com fluxo intermitente - Não possuem o decantador primário e nem o secundário: todo o processo ocorre no mesmo tanque, sequencialmente - (Simplicidade) Leva-se mais tempo para tratar o efluente 29

30 Tratamento preliminar primário secundário - Tratamento do lodo Sistemas anaeróbios usados para o Tratamento secundário Geralmente geram menos lodo (crescimento dos microorganismos) e têm uma eficiência menor que a dos processos aeróbios 1) Digestores de lodo 2) Tanques sépticos Fossa séptica-filtro anaeróbio (um dos sistemas de alta carga ) 3) Lagoas anaeróbias Uma FOSSA remove a maior parte dos sólidos: sedimentam, e já se decompõem Um FILTRO (fechado) remove a MO residual MO = Matéroa orgânica 30

31 Considerações finais A ÁGUA PARA O ABASTECIMENTO DEVE SER TRATADA Demanda de água tratada é um desafio atual e futuro O crescimento populacional, aliado ao desenvolvimento industrial e a necessidade por alimentos está aumentando a demanda por água tratada (de qualidade boa e que deve ser constantemente atestada). O TRATAMENTO DE EFLUENTES PRESERVA AS CARACTERÍSTICAS DOS CORPOS D ÁGUA ONDE SÃO LANÇADOS As diferentes opções de sistemas de tratamento têm o mesmo objetivo Simular os fenômenos naturais em condições controladas e otimizadas, resultando em um aumento da velocidade e da eficiência de estabilização da matéria orgânica, bem como outras substâncias presentes no meio. 31

32 Referências Bibliográficas 1 BAIRD, C.,Química Ambiental, Bookman, Pita, F. A. G. Armazenamento e tratamento de resíduos. Vol. II Tratamento de Águas Residuais Domésticas, Universidade de Coimbra, acessado Nascentes, C. C.; Costa, L. M. Química Ambiental. UFMG, acessado acessado