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COAGULAÇÃO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS COM PARTÍCULAS
MAGNÉTICAS E PARAMAGNÉTICAS
Maria Cristina Cordeiro Dellatorre (1)
Engenharia civil, 1975 - Escola de Engenharia de Lins, Especialização em
Engenharia Ambiental 1986, Faculdade de Saúde Pública- USP, Pós
Graduação em Engenharia Sanitária,1992,IHE - Delft.
Arthur Pinto Chaves
Eng. Metalúrgico Prof. Titular e Chefe do Departamento de Engenharia de
Minas da Universidade de São Paulo.
FOTO
Endereço(1): Rua Monte Aprazível, 327/44. São Paulo - SP. CEP: 4513031 - Tel/Fax (011) 866-4193 - e-mail: [email protected].
RESUMO
A coagulação química em processos de tratamento de efluentes como auxiliar da sedimentação
primária é prática largamente adotada em muitos países.
No tratamento de esgotos sanitários foi praticamente abandonada no início do século em função
das vantagens advindas do tratamento biológico.
O desenvolvimento da indústria química mudou as características dos efluentes, a urbanização,
que levou ao aumento das unidades de tratamento, a localização das estações, antes afastadas
das populações e que se vêm atualmente no meio de áreas urbanizadas e as crescentes
exigências quanto às características desejadas nos efluentes das estações de tratamento, tem
levado à introdução de coagulantes nos processos de tratamento.
Acresça-se a isto o maior inconveniente do uso de coagulantes a produção de maior volume de
lodo, de difícil manuseio, e o encarecimento dos custos de disposição final. O uso de coagulante
que reduza o volume de lodo, ou passível de recuperação e reuso seria portanto um grande
ganho em direção à otimização dos processos de tratamento.
O uso de partículas de material magnético capaz de nuclear coágulos e favorecer a
sedimentação tem sido objeto de intensos estudos nas últimas décadas por muitos
pesquisadores. Gradativamente, com o avanço do desenvolvimento dos equipamentos de
separação magnética, e das restrições ambientais, do reduzido do consumo de energia e espaço
requerido para o processo e instalações, esta técnica de tratamento vem sendo desenvolvida e
sistemas implantados em alguns países, como a Austrália, Alemanha, Japão e Holanda e
Estados Unidos.
Neste trabalho procuramos verificar a utilização de magnetita e hematita, na coagulação de
esgoto bruto, como auxiliar da decantação primária.
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PALAVRAS -CHAVE: Magnetita, Hematita, Coagulação, Sedimentação Primária, Carrier
Magnético
INTRODUÇÃO
As estações que recebem esgotos domésticos misturados com efluentes industriais podem
apresentar vários problemas como odor, variações bruscas de vazão e cargas de DBO e DQO,
concentrações de metais e compostos tóxicos e inibitórios aos processos de lodos ativados e
outros processos biológicos, comprometimento da qualidade do efluente final a ser lançado nas
águas de superfície. A emissão de gás e compostos orgânicos voláteis dos tanques de processo
e vertedouros e caixas de passagem trazem problemas de corrosão e riscos à saúde dos
trabalhadores expostos de forma continuada (1,2).
Nas águas residuárias clorofôrmio, cloreto de metileno e tetracloreto de carbono são formados
pela reação de alvejantes de hipoclorito com substratos orgânicos complexos que se encontram
nos sistemas de coleta de esgotos), o tricloroetileno (CHCl:CCl2) e cloreto de vinila
(CH2:CHCl2) são formados pela desalogenação redutiva biológica anaeróbia de
percloroetileno (tetracloroeteno Cl2C=CCl2 nas linhas de coleta de fluxo lento, ou nos
digestores anaeróbios das estações de tratamento(3 ).
Os compostos orgânicos como clorofôrmio e tetracloreto de carbono são emitidos em maiores
proporções na caixa de areia aerada das estações, no tanque de aeração os compostos menos
voláteis absorvem aos flocos de lodos ativados, e devido às características do processo de
retorno do lodo do decantador secundário para o tanque de aeração, os compostos orgânicos
se concentram no tanque de aeração dando origem a emissões que se prolongam, mesmo que
se tenha originado de carga não contínua (2).
Portanto, a redução do número de horas de aeração e redução da taxa de retorno de lodo,
passa a ser conveniente quando a planta está sujeita a estas intercorrencias com freqüência
elevada, ou no período em que as indústrias estejam implantando ou implementado seus
projetos de controle interno.
Os dados de pesquisa indicam que os níveis de odores são diretamente proporcionais à carga
da demanda química de oxigênio (DQO) medida na unidade(4).
As remoção de DQO com a coagulação anterior a sedimentação primária é da ordem de 60%.
A taxa de degradação bioquímica dos sólidos orgânicos na massa líquida de esgotos é
decrescente em relação ao aumento do tamanho das partículas. Portanto as partículas menores
de matéria orgânica remanescentes após a coagulação e sedimentação tem maior taxa de
oxidação bioquímica , acelerando o processo no tanque de lodos ativados, como pode ser
observado na Tabela 1 (5).
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Tabela 1 - Composição de matéria orgânica em águas residuárias (Balmat 1957,
Heulekian e Balmat 1959, Richard e Hunter 1971).
Classificação
Solúvel
Coloidal
Supracoloidal Sedimentável
Faixa de Tamanho
< 0,08 ? m 0,08-1,0 ? m
1-100? m
>100? m
DQO (% do total)
25
15
26
34
COT (% do ,total)
31
14
24
31
Constituintes org. (% sol.
totais)
gordura
12
51
24
19
proteína
4
25
45
25
carboidratos
58
7
11
24
Taxa
de
oxidação
0,39
0,22
0,09
0,08
bioquímica K d-1
A maior eficiência na remoção dos sólidos também reduz a concentração de metais
potencialmente tóxicos ao processo de lodos ativados, como pode ser observado na Tabela 2.
Tabela 2 - Estação de tratamento de Eskilstuna, Suécia (SWEP 1985).
METAL
Zn Cu Ni Cr Pb Cd
% SUSPENSA 51 48 13 71 71 82
Os metais como cobre, zinco, cobre, níquel, chumbo e cromo podem reagir com as enzimas microbianas para
retardar ou inibir completamente o metabolismo no processo de lodos ativados.
Além dos metais, compostos orgânicos como PAH e PCB’s, vírus e bactérias tem grande
afinidade com material particulado.
A coagulação/floculação anterior à sedimentação primária contribui na redução das
intercorrências acima mencionadas.
OBJETIVOS
Os objetivos do presente trabalho ( uso de hematita ou magnetita como aditivos da coagulação):
1. Verificar a viabilidade do uso destas partículas, de grande densidade, que proporcionam
rápida coagulação e sedimentação também devido a suas propriedades magnéticas e de
superfície, e por reduzirem o volume de lodo.
2. Verificar em ensaios de bancada as concentrações necessárias para obter remoções
satisfatórias em águas residuárias de estação de tratamento de efluentes industriais
combinados com esgotos domésticos.
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3. Desenvolver novos coagulantes, com propriedades superiores aos existentes, por exigir
tempos reduzidos de coagulação, floculação e sedimentação, reduzindo o volume das
unidades de processo.
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TRATAMENTO DA ÁGUA COM CARREADORES MAGNÉTICOS
Tratamento Magnético da Água
O uso de carreadores magnéticos no tratamento de água e efluentes foi precedido pelo
desenvolvimento do tratamento magnético da água de processos para redução da dureza e
prevenir formação de incrustações, acelerar a cura do cimento e purificação de água. Neste
tratamento, que foi patenteado por Vermerein na Bélgica em 1945, a água passa através de
campos magnéticos, depois do que adquire propriedades anômalas que se mantém por horas e
mesmo dias (6).
O uso do tratamento magnético da água usada nos processos de beneficiamento de minérios,
acelera a flotação, aumenta a recuperação, a seletividade e a atividade dos coletores, tendo
efeito considerável no adensamento de polpas e coagulação de suspensões. O mais interessante
são as observações dando evidência na mudança nas
propriedades dos resíduos. Devido ao tratamento magnético da água e suspensões um resíduo
consolidado mais denso e consolidado é obtido (particularmente em comparação com aquele
obtido com poliacrilamida) KLASSEN ,1968 (6).
Krylov et al. (1985) (7) relatou que o tratamento de sistemas coloidais de Al(OH) 3 e Fe(OH)3,
com campos magnéticos de intensidade de 0,8x10 4 e 8x104 A/m, resultou em redução de 1214% no potencial zeta. Foi atribuído à desidratação dos contra-íons, os quais estabilizam o
sistema coloidal. Foi observado que a área total da superfície das partículas diminui e também
foi verificado um aumento na condutividade elétrica na lama do CaCO3. De acordo com as
análises estatísticas, as mudanças nas propriedades acima fora significantes.
Trabalhos posteriores constataram que o tratamento magnético da água pode reduzir as
incrustações de carbonato de cálcio em trocador de calor em aproximadamente 50% e
observou as modificações no pH decorrentes do tratamento magnético da água, em
comparação com sistema de referencia ( Parsons et al, 1997) (8).
Tratamento de Água e Águas Residuárias com Carreadores Magnéticos
Seguida de Filtração Magnética
As partículas magnéticas (magnetita, por exemplo) tem sido usadas em processos para remover
substâncias químicas dissolvidas, como metais e fósforo, através de um precipitado magnético,
fazendo-os coagular com produtos químicos e adição de partículas magnéticas antes da filtração
magnética, (9) ,(10) , remoção por adsorsão de vírus (11), algas(12) e bactérias (13) , servem
como adsorventes de células bacterianas que removem pesticidas (14), hidrocarbonetos
clorados ( 15) e produzem lodo de menor volume (16) do que o obtido por outros coagulantes
usuais. Elas podem ser recuperadas via filtração magnética e reusadas, reduzin do os custos de
produção de coagulante, ou reduzindo os custos de disposição do lodo pela redução do volume
e também , caso se consiga, pela recuperação dos metais absorvidos.
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Aplicado no tratamento de efluentes de usinas siderúrgicas contendo materiais ferromagnéticos
e paramagnéticos, passsando-as por filtros magnéticos de alto gradiente (HGMS) (17). Para
produtos químicos , por exemplo metais ionizados e fósforo, é necessário coagular com
produtos químicos e acrescentado partículas magnéticas antes de passar pelo separador
magnético.
Mais recentemente tem sido estudado a o tratamento de esgoto doméstico bruto, e o
tratamento terciário de esgotos, para remoção de fósforo e águas de lavagem de incineradores.
Coagulação de Águas Residuárias com Partículas Magnéticas
Booker et al (16) desenvolveu experiências de tratamento de esgotos brutos com partículas
magnéticas, lavando-as antes de misturá-las ao esgoto bruto parcialmente sedimentado. Durante
agitação de 3-5 min adicionou coagulantes extras, obtendo efluente final com DBO5 da ordem
de 40 mg/l. As partículas magnéticas foram recuperadas após a sedimentação por separação
magnética e lavadas por duas vezes com solução de soda caustica, pH 10,0. A dosagem de
partículas magnéticas usada foi de 10 g/l, e as perdas na recuperação da ordem de 0,1%.
Em países que impõem limites estritos de fosfato para lançamento em águas de corpos
receptores, foi testada a remoção de fosfato por carrier magnético (magnetita) e posterior
filtração em separador magnético. As perdas de magnetita no processo terciário de remoção de
fósforo são da ordem de 1% ( dosagem utilizada 1g/l),(18).
Processo de Coagulação Magnética
O tratamento de água com separador magnético é baseado em agente fortemente magnético,
como a magnetita. Nos estudos desenvolvidos por De Latour et al ( 1975) (19), partículas de
0,1 a 10 ? m livremente associadas em solução em aglomerados de 1 -30? m, 50-1000 ppm
são adicionados antes do tratamento químico. Depois da dispersão coagulante químico foi
usado ( aproximadamente 3-20 ppm) de um cátion como Al(III) ou Fe(III), e a solução é
agitada por 1 a 5 minutos. Os produtos da solução sólidos suspensos e a magnetita formam um
coágulo que é removido por HGMS. Adicionalmente aditivos de polieletrolitos são usados
quando a solução tem teor de sólidos extremamente altos ou quando flocos muito firmes são
necessários para obter taxas máximas de processamento no HGMS. O procedimento muito
simples de adicionar as partículas magnéticas antes da coagulação e floculação tem quatro
vantagens ( De Latour):
1. Se a adição da magnetita aumenta significativamente o teor de sólidos do sistema, isto
ajudará a coagulação e floculação do sistema.
2. Os intrincados agregados de magnetita agem como superfícies adsorventes para os
produtos da precipitação do coagulante, fazendo-os aderir e facilmente flocular com outros
particulados não magnéticos com a mesma envoltória.
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3. O tempo de coagulação e floculação é minimizado, porque só é necessário associar outros
particulados coloidais, ou semi coloidais com a magnetita; não sendo necessário longo
tempo para crescimento dos flocos para a filtração.
4. A magnetita está firmemente ligada ao coágulo em quantidade suficiente para permitir taxas
de filtração da ordem de 350 gpm (23 cm/s). A intensidade do campo magnético varia entre
1-10 kgauss dependendo da velocidade do fluxo.
Mecanismos de Coagulação com Magnetita e Hematita
Os ions absorvidos a superfície das partículas são os ions determinantes de potencial e
estabelecem a carga das partículas.
O pH em que a carga da superfície da partícula se torna zero é conhecido como ponto de carga
zero (PZC). O pH em que o potencial zeta muda de sinal é conhecido como ponto isoeletrico
(PIE). Para a hematita foram medidos valores de PZC ou PIE na faixa de pH 4,8 a 6,7, e para
a magnetita pH 6,5.
Em valor de pH acima do ponto isoeletrico, a carga de superfície da partícula se torna negativa,
abaixo do pH do ponto isoeletrico , a superfície da partícula se torna positiva.
Podemos observar na Tabela 3 valores de PZC para particulados encontrados em águas
naturais e residuarias.
Se acrescentarmos partículas de magnetita ou hematita em pH inferior a 6,5 a carga de
superfície será negativa, oposta portanto a carga positiva da maioria dos particulados elencados
na Tabela 3. Haverá uma força de atração eletrostática que provocara a aglomeração destes
particulados sobre as partículas de hematita ou magnetita.
Tabela 3 - Características de Particulados Encontrados em Águas Naturais e
Residuárias.
PARTICULADOS
PZC
PARTICULADOS
PZC
INORGANICOS (hidrofóbicos)
Al(OH)3
7,5 - 8,5
CaCO3
8-9
Al2O3
9,1
Ca5(PO)43OH
6-7
CuO3
9,5
FePO4
3
Fe(OH)3
9,3
AlPO4
4
MgO
12,4
Orgânicos
MnO2
2-4,5
Alga
3-5
SiO2
2-3,5
Bactéria
2-4
Argilas
Acido Úmico
3
Kaolinita
3,3-4,6
Gotas de óleo
2-5
Montmorilonita
2,5
Asbestos
Crisotila
10-12
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Crocidolita
5-6
Fonte :Parks (1967) e Stumm e Morgan (1981)(20)
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MATERIAIS E MÉTODOS
Ensaios Jar test, utilizando o efluente da caixa de areia aerada da Ete Suzano, com correção do
pH utilizando ácido sulfúrico, agitação rápida de 2 min e agitação lenta de 3 min. A eficiência foi
medida pela remoção da DQO e o volume de lodo sedimentado em 1h foi verificado em cone
Imhoff.
Foram realizados ensaios simultâneos com a mesma amostra utilizando partículas magnéticas,
paramagneticas, cloreto férrico com e sem adição de partículas magnéticas, sulfato ferroso
clorado com e sem adição de partículas magnéticas ou paramagnéticas verificada a remoção de
DQO e densidade do lodo obtido em cada ensaio.
Amostras de efluentes : foram coletadas amostras de efluentes da ETE de Suzano, após passar
ou grade grossa e media , e caixa de areia aerada.
Hematita e Magnetita : as partículas magnéticas usadas foram gentilmente cedidas pelo
laboratório de Tratamento de Minérios e Resíduos Industriais do Departamento de Engenharia
de Minas da EPUSP. As amostras foram moídas em moinhos de bola, previamente submetidas
ao moinho de rolos que reduziu o tamanho das amostras. A magnetita foi passada no separador
magnético para eliminar alguma apatita ainda existente.
Equipamento Jar Test : agitadores mecânicos, com pás de 75 mm de comprimento, 20 mm de
altura e 10 mm de espessura, tendo a rotação medida pela oficina de manutenção da Ete
Suzano, rotação rápida 355 rpm, agitação lenta : 120 rpm. Foram usados jarros cilíndricos de
vidro, de 1l.
Coagulantes cedidos pela Eta do Alto Tietê : cloreto férrico, densidade 1,42; concentração de
FeCl3 = 568g/l, sulfato ferroso clorado , densidade 1,4; concentração de FeClSO4 = 450 g/l.
Ensaios com 2 min de Agitação Rápida e 34 min de Agitação Lenta
Foram adicionadas as partículas magnéticas e ou coagulantes, correção do pH para 5,5 c
agitação rápida de 2 min e lenta de 3 min. Após a coagulação e floculação, foi deixado
sedimentar no próprio bequer , e após uma hora foi retirada amostra do sobrenadante para
ensaio de DQO.Os resultados estão na Tabela 4 abaixo.
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Tabela 4 - Resumo da primeira série de ensaios de coagulação.
COAGULANTE
DOSAGE
REMOÇÃO DE DQO inicial
M mg/l
DQO (%)
mg/l
HEMATITA
2
60
1412,7
MAGNETITA
2
58,7
1412,7
HEMATITA +
2+2
61,5
1412,7
MAGNETITA
HEMATITA
1
71,22
1906,56
HEMATITA
2
76,53
1906,56
MAGNETITA
1
41,53
782,33
FeCl 3
1
43,14
782,33
MAGNETITA
2
50,55
782,33
HEMATITA
+
1+1
52,26
782,33
MAGNETITA
HEMATITA + FeCl3
1+1
53,06
782,33
só correção do pH
37,87
782,33
DQO final
mg/l
560,89
583,74
543,87
548,71
447,38
457,38
444,86
386,55
373,47
367,22
486,06
Ensaios com 30 segundos de Agitação Rápida
Com o objetivo de simular a adição de coagulantes na entrada do decantador secundário,
foram realizados ensaios apenas com 30 segundos de agitação rápida sem floculação, com
correção do pH. Os resultados estão na Tabela 5 abaixo. O volume de lodo sedimentado em
cone Imhoff foi lido após 1h. Podemos observar nos resultados queda significativa da eficiência
de remoção de DQO.
Tabela 5 - Resumo da Segunda Série de Ensaios - tempo de coagulação 30 s,
floculação 0s, com correção do pH.
Coagulante
HEMATITA
MAGNETITA
FeClSO 4
FeCl3
MAGNETITA
FeClSO4
FeCl3
HEMATITA
MAGNETITA
FeClSO 4
FeCl 3
FeClSO 4 + 2 mg
de HEMATITA
Dosagem
Fe
mg/l
1,2
1,2
2
2
1,2
2,5
3
6
6
10
10
10 + 1,2
Dosagem
coag.
mg/l
2
2
6,7
5,8
2
8,4
8,7
10
10
33,5
29
33,5 + 2
Remoção
(%)
DQO i
mg/l
DQO f
mg/l
31,8
34,2
35,9
35,3
43,16
26
37
30,8
28,6
43,7
42,8
46,2
1305,3
1305,3
1305,3
1305,3
1196,6
1096,3
1096,3
1242,3
1242,3
1242,3
1242,3
1242,3
889,5
858,2
835,9
845
680,2
816,9
684,6
858,8
887,3
698,9
709,9
668,2
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Volume
de lodo
ml
13
14
17
18
10
4,5
7
24
28
20
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FeCL3 + 2mg de
HEMATITA
HEMATITA
MAGNETITA
FeClSO 4
FeCl 3
HEMATITA
MAGNETITA
FeCl 3
FeClSO 4 + 2mg de
HEMATITA
FeCl3 + 2mg de
HEMATITA
FeClSO 4
FeCl 3
HEMATITA
MAGNETITA
FeClSO 4
FeCL3
branco
só correção do pH
10 + 1,2
29 + 2
49,8
1242,3
623,1
28
6
6
10
10
12
12
20
20
10
10
33,5
29
20
20
58
67
26,6
40
43,7
49
54,2
55,4
58,9
58,3
1061,6
1061,6
1061,6
1061,6
1676,5
1676,5
1676,5
1676,5
778,7
640,2
597,1
541,3
767
747
688,3
698,3
5
3,6
35
35
100
75
20 + 1,2
58 + 2
57,5
1676,5
712,9
90
20
20
18
18
30
30
67
58
30
30
100,5
87
34,5
29,6
22,9
21,8
40,4
42,4
17,1
16
1526,3
1526,3
1223,2
1223,2
1223,2
1223,2
1223,2
1223,2
999,8
1075,0
943,0
956,3
729,5
707,2
1014,4
1027,5
28
25
9
9
38
45
6
5
Ensaios Para Verificar a Densidade do Lodo
Os ensaios foram realizados sem correção de pH. Nos dias em que foram realizados estes
ensaios, o afluente à estação era vermelho, transparente, com forte odor, se sem sólidos em
suspensão visíveis, ou seja , condições excepcionalmente ruins em comparação com os
afluentes dos experimentos precedentes. Foram realizados ensaios em dois dias consecutivos,
15 e 16 de junho de 1995, com os resultados nas Tabelas 6 e 7 abaixo.
Os ensaios foram realizados sem correção do pH devido à características do pH, cor vermelha
e pH 8.
TABELA 6 - Resumo dos resultados dos ensaios de densidade do lodo realizados no
dia 15 de junho de 1995.
Coagulante
Dosagem Massa de Densidad
Fe/mg/l
Lodo
e de Lodo
g
g/l
HEMATITA
1,21
0,0567
78,1
MAGNETITA
1,2
0,0496
70,9
FeClSO 4
2
0,0519
51,9
FeCl3
2
0,0472
47,2
FeClSO 4 +2mg de hematita e correção do
2
0,076
38
pH
FeClSO 4 + 5mg de hematita
2
0,0604
60,4
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TABELA 7 - Resumo dos resultados dos ensaios para verificar a densidade dos lodos
realizados em 16 de junho de 1995.
COAGULANTE
DOSAGEM MASSA SECA DENSIDADE
Fe (mg/l)
g
g/l
MAGNETITA
4
0,3793
94,8
FeClSO4
4
0,468
6,8
FeCl3
4
0,4792
47,92
FeClSO4 + 2mg de hematita
4
0,4532
40,4
FeCl3 + 2mg de hematita
4
0,5162
57,4
CONCLUSÕES
As remoções obtidas com pequenas dosagens de partículas magnéticas e paramagnéticas com
2 min de agitação rápida e 3 min de agitação lenta, com correção de pH. obteve índices de
remoções entre 50 a 69 % de DQO.
A adição de partículas magnéticas e/ou paramagnéticas produziram lodo de menor volume,
quando usados individualmente ou quando combinados com sulfato ferroso ou cloreto férrico
em comparação com os ensaios realizados com cloreto férrico ou sulfato ferroso clorado
individualmente. A adição de partículas magnéticas aumenta a eficiência de remoção dos dois
coagulantes acima mencionados.
As perdas dos processos de tratamento com partículas magnéticas com recuperação das
partículas são da ordem de 10 mg/l. Como as dosagens usadas forma muito pequenas, não
haveria interesse econômico na recuperação e reuso das partículas.
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