Universidade Federal de Alfenas – UNIFAL-MG
Engenharia Química
Campus Poços de Caldas (MG)
KARLA DE ALMEIDA DURAN
Estudo da viabilidade técnica e econômica de troca de Poli Cloreto
de Alumínio por Cloreto Férrico no processo de coagulação do
tratamento primário de efluente líquido em indústria de produtos
lácteos
Poços de Caldas - MG
Janeiro/2014
KARLA DE ALMEIDA DURAN
Estudo da viabilidade técnica e econômica de troca de Poli Cloreto
de Alumínio por Cloreto Férrico no processo de coagulação do
tratamento primário de efluente líquido em indústria de produtos
lácteos
Trabalho apresentado à disciplina: TCC II do curso
de Engenharia Química da Universidade Federal de
Alfenas – campus Poços de Caldas, sob a orientação
da professora Doutora Giselle Patrícia Sancinetti.
Poços de Caldas – MG
2014
Dedico a Deus, a meus amigos,
professores e colegas de trabalho, aos
meus pais e especialmente a pessoa que
esteve sempre ao meu lado me dando
força e me apoiando nos momentos
mais difíceis: Hernane.
Resumo
Este trabalho consistiu em um estudo sobre coagulantes utilizados em Estações de Tratamento
de Efluentes considerando-se possibilidade de melhoria no tratamento de uma indústria de
produtos lácteos. O objetivo da pesquisa foi avaliar a substituição de Poli Cloreto de
Alumínio, como coagulante no tratamento primário de efluente líquido, por Cloreto Férrico –
químico que oferece ao tratamento minimização de odores, menor custo e maior acidez, com
conseguinte redução da adição de ácido para neutralização de efluente lácteo alcalino.
Durante o estudo foram realizados ensaios de Jar Test na Estação de Tratamento de Efluentes
(ETE) da Indústria, sendo testadas diferentes dosagens com o coagulante proposto. Os
resultados deste estudo permitiram concluir ser possível, e viável, a substituição do Poli
Cloreto de Alumínio por Cloreto Férrico, garantindo uma melhor eficiência e um menor custo.
Palavras-chave: Tratamento de efluentes, coagulantes, Poli Cloreto de Alumínio, Cloreto
Férrico
Abstract
This work consisted of a coagulants study used in WastewaterTreatment Plants considering
the possibility of improvement in the treatment of a dairy industry. The aim of the work was
to evaluate the replacement of Poly Aluminum Chloride as coagulant to treat primary effluent
by Ferric Chloride – a chemical which offers treatment minimizing odors, lower cost and
higher acidity, reducing acid addition to alkali neutralization of dairy effluent. During the
study, Jar Test trials were performed in the Industry Wastewater Treatment Plant, with
different dosages of the proposed coagulant. The results of this study should to be possible
and feasible, the replacement of Poly Aluminum Chloride Ferric Chloride by ensuring better
efficiency and lower cost.
Keywords: Wastewater treatment, coagulants, Poly Aluminum Chloride, Ferric Chloride
LISTA DE ABREVIATURAS
DBO – Demanda Biológica de Oxigênio
DQO – Demanda Química de Oxigênio
ETE – Estação de Tratamento de Efluentes
MBBR – Moving Bed Biological Reactors
NTU – Nephelometric Turbidity Unit
PAC – Poli Cloreto de Alumínio (coagulante)
PLF – Produtos Lácteos Frescos
PPM – Partes por milhão
SST – Sólidos Suspensos Totais
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Concentrações de coagulante e polímero
19
Tabela 2 - Dados do efluente bruto
23
Tabela 3 - Valores de DQO obtidos após Jar Test
24
Tabela 4 - Valores de SST obtidos após Jar Test
24
Tabela 5 – Valores de pH obtido após Jar Test
25
Tabela 6 - Valores de turbidez obtidos após Jar Test 25
Tabela 7 - Resultados obtidos após Jar Test
26
ÍNDICE
1.
Introdução ........................................................................................................................... 9
2.
Objetivo ............................................................................................................................ 10
3.
Revisão Bibliográfica e Estudo de Caso........................................................................... 10
3.1.
Indústria de Laticínios e Geração de Efluentes.......................................................... 10
3.2.
Atividades realizadas pela Indústria estudada neste trabalho .................................... 10
3.2.1.
Pré-tratamento .................................................................................................... 11
3.2.2.
Tratamento Primário ........................................................................................... 11
3.2.3.
Tratamento Secundário – Reatores Biológicos Aerados de Leito Fluidizado .... 14
3.2.3.1.
3.2.4.
Princípio de Funcionamento da Tecnologia .................................................... 14
Decantação secundária e destinação final .......................................................... 16
3.3.
Características Físico-químicas ................................................................................. 16
3.4.
Teste de Jarros (Jar-test) ............................................................................................. 17
4.
Materiais e Métodos ......................................................................................................... 18
5.
Resultados e Discussão ..................................................................................................... 23
6.
Viabilidade Econômica ..................................................................................................... 27
7.
Conclusão ......................................................................................................................... 27
8.
Referências Bibliográficas ................................................................................................ 29
9
1. Introdução
A população mundial aumenta a cada dia, dessa forma o consumo de produtos lácteos
frescos (PLF), como iogurtes e queijos, faz-se cada vez maior.
Apenas no Brasil, em 2012, a população atingiu a marca de 198,7 milhões (BANCO
MUNDIAL, 2011) e considerando dados de 2012 (ÉPOCA NEGÓCIOS, 2012) o consumo
per capta de iogurte é de 6,5 quilos por ano, o que representa que 3,5x106 kg de iogurte são
consumidos diariamente no país, sendo que este número chega a ser o triplo na Argentina, o
que sugere que este mercado tem muito a crescer no Brasil.
Em 2008 a produção de iogurte no país registrou média anual de 400 mil toneladas,
representando 76% do total de produtos lácteos e nestes últimos cinco anos as indústrias de
PLF apresentaram grande crescimento (EMBRAPA, 2008).
Nas indústrias de laticínios a água é um recurso natural que pode ser utilizada por
diversas formas, como em processos de lavagem, sistemas de resfriamento, água de
formulação, dentre outras. Com exceção daquela incorporada às formulações, o restante
torna-se contaminado por resíduos lácteos e/ou industriais, gerando o que é chamado de
efluente líquido. No caso de indústrias de laticínios, a carga orgânica é o maior contaminante
destes efluentes.
Considerando que o coeficiente de geração de efluentes é em torno de 3,5 l de
efluentes por litro de produto acabado, percebe-se a enorme quantidade de água imprópria
para consumo que é produzida devido à produção de PLF.
Apesar do grande esforço para o correto armazenamento e diminuição de seu
consumo, a água limpa torna-se cada vez mais escassa e é de extrema importância que estes
efluentes sejam tratados a fim de eliminar substâncias, elementos químicos e grande parcela
de micro-organismos, evitando assim que estas águas sejam prejudiciais à saúde dos seres
vivos (SILVA; LAURIA, 2006). Este tratamento visa a retirada de substâncias indesejáveis
para posterior lançamento da água – segundo padrões de legislação ambiental – nos corpos
receptores.
Com a aplicação de tratamento físico-químico nos efluentes através de agentes
coagulantes e/ou floculantes seguido por processo de flotação, faz-se possível separar grande
parte da fração orgânica presente no efluente, o que gera um lodo de aspecto pastoso
constituído em maior parte de lipídios e proteínas (AGUILAR et al., 2002).
Os coagulantes mais usados atualmente são Cloreto Férrico, Poli Cloreto de Alumínio,
Sulfato Ferroso e Sulfato de Alumínio. Após a adição desses, usam-se polímeros catiônicos ou
10
aniônicos, de acordo com as propriedades do efluente, havendo geração de lodo, sendo que
este é espessado e enviado para compostagem ou incorporado à produção de ração animal.
2. Objetivo
O objetivo deste trabalho foi avaliar a substituição do Poli Cloreto de Alumínio pelo
Cloreto Férrico, devido às propriedades do Cloreto Férrico – minimização de odores, menor
custo e maior acidez, na etapa de tratamento primário a partir da realização de Ensaios de Jar
Test na Estação de Tratamento de Efluentes (ETE) da Indústria, sendo testadas diferentes
dosagens com o coagulante proposto.
3. Revisão Bibliográfica e Estudo de Caso
3.1.
Indústria de Laticínios e Geração de Efluentes
É de interesse global que relevante importância seja dada ao fato de que o
desenvolvimento e crescimento da indústria não devem agravar a situação de poluição
mundial.
Dentre as atividades industriais que mais crescem no Brasil estão as indústrias
alimentícias, que consomem grande quantidade de água e geram grande quantidade de
efluente por unidade produzida, além da geração de lodo em estações de tratamento. A
indústria de laticínio é um exemplo deste setor. Operações das mais diversas naturezas geram
efluente com elevada carga orgânica, constituída essencialmente de leite e derivados, o que
reflete em alta Demanda Química de Oxigênio (DQO) (BRIÃO, V. B.; TAVARES, C.R.G.;
2005).
Para a redução de efeitos poluentes no meio ambiente, técnicas de tratamento têm sido
aperfeiçoadas a fim de minimizar a geração de resíduos.
3.2.
Atividades realizadas pela Indústria estudada neste trabalho
Todo o efluente gerado na indústria, exceto o efluente sanitário, é encaminhado por
gravidade à Estação de Tratamento de Efluentes.
11
Este sistema de tratamento atende aos padrões de lançamento da legislação ambiental
previstos na Resolução Nº 430, de 13 de maio de 2011 que dispõe sobre as condições e
padrões de lançamento de efluentes, complementa e altera a Resolução nº 357, de 17 de
março de 2005, do Conselho nacional de Meio Ambiente - CONAMA.
O corpo receptor dos efluentes líquidos industriais pós-tratamento é um rio classe II,
pertencente à Bacia Hidrográfica do Rio Grande.
3.2.1. Pré-tratamento
No primeiro contato do efluente industrial com a Estação de Tratamento de Efluentes
este passa por uma peneira estática com a finalidade de remoção dos sólidos grosseiros,
retidos em telas com aberturas de 1 mm, para não seguirem no processo de tratamento. Em
seguida esse efluente segue até um tanque de equalização onde ocorre adição de ácido ou
base, a fim de se obter pH ótimo para tratamento,entre 6,5 e 7,5, além de absorver picos de
vazão e de carga orgânica.
3.2.2. Tratamento Primário
3.2.2.1.
Tanque de Equalização
O tanque de equalização possui sistema de mistura e aeração através de tubos
perfurados para liberação de ar, que, além de proporcionar mistura, fornece oxigênio para
minimizar a ocorrência de reações anaeróbias, evitando liberação de mau odor.
3.2.2.2.
Coagulação e Tanque de Coagulação
O termo coagulação origina-se do latim, significando manter-se junto. O processo de
coagulação descreve o efeito produzido devido à adição de produtos químicos sobre uma
dispersão coloidal, o que resulta em desestabilização dos colóides devido à redução das forças
intermoleculares que tendem a manter estas partículas afastadas umas das outras. São estas
partículas as responsáveis pela presença de alta turbidez e cor em águas residuárias
(MAGNAN, 2010).
A ocorrência desta desestabilização provoca aglomeração de partículas, possibilitando
12
maior facilidade para sua remoção. Estas partículas formam flocos, que atuam como núcleos
de condensação para as pequenas partículas, possibilitando retirada por meio de flotação e
sedimentação (SILVA, C. N.F.; LAURIA, R.G, 2006).
Nesta fase do processo, etapa foco deste estudo, é adicionado Poli Cloreto de
Alumínio com a finalidade de coagulação. Esta adição é controlada através de um medidor
eletromagnético de vazão, interligado à bomba dosadora de produto químico (coagulante).
Devido à presença de um agitador mecânico no tanque, faz-se possível a colisão necessária
entre as partículas para formação de coágulos.
A escolha correta do coagulante é de fundamental importância no tratamento de
efluentes, já que cada efluente tem características únicas e os coagulantes são seletivos. Estes
coagulantes podem ser classificados em polieletrólitos ou auxiliares de coagulação e
coagulantes metálicos (MAGNAN, 2010), sendo os mais empregados os inorgânicos (sais de
alumínio e ferro – sulfato de alumínio, cloreto e sulfato férrico). Não menos importantes, mas
menos utilizados devido ao custo, estão os coagulantes orgânicos com densidade de carga
positiva (polímeros catiônicos).
A principal diferença entre coagulantes metálicos e polímeros catiônicos está na sua
reação hidrolítica com a água. Nos polieletrólitos, as cadeias polimerizadas já estão formadas
quando eles são adicionados em meio aquoso. Já nos coagulantes metálicos, a polimerização
se inicia no contato com o meio líquido (PHILIPPI, 2001).
3.2.2.2.1.
Cloreto Férrico
Cloreto férrico é produzido principalmente pela reação a quente do ácido clorídrico
concentrado com o minério de ferro hematita, seguido de resfriamento e filtração.
A utilização deste coagulante reduz cor, turbidez, quantidade de sólidos suspensos,
DBO, além de diminuir odores fétidos e eliminar fosfatos. A eq. 1 ilustra a reação de hidrólise
do cloreto férrico (MAGNAN, 2010).
(eq. 1)
3.2.2.2.2.
Poli Cloreto de Alumínio – PAC (Poly
Aluminium Chloride)
Coagulante bastante eficaz para a eliminação de substâncias coloidais. O PAC é um sal
13
de alumínio pré-polimerizado e básico. Em função desta basicidade, durante a hidrólise libera
em igualdade de íons metálicos, uma quantidade de ácido consideravelmente menor do que o
cloreto férrico (PAVANELLI, 2001).
Devido ao estado pré-polimerizado e à sua estrutura molecular condensada com pontes
de oxigênio entre os átomos de alumínio, este coagulante apresenta vantagens na floculação
devido à grande quantidade de elementos ativos de alumina (PAVANELLI, 2001).
3.2.2.3.
Floculação
É o processo caracterizado pela adição de produtos químicos que promovem
aglutinação e agrupamento de partículas sólidas, com consequente variação de seu peso
específico.
Em uma estação de tratamento de efluentes, esta etapa corresponde ao momento em
que condições de favorecimento de contato e agregação de partículas, visando facilitação de
remoção, são promovidas (DI BERNARDO, et al, 2002).
Este processo demanda condição de agitação lenta para que os flocos recém formados
não se desestabilizem, cisalhando-se. Dentre os fatores que influenciam na eficiência do
processo de floculação, estão: tipo de coagulante e de floculante, pH, alcalinidade, tipo e
concentração de íons no meio líquido, tamanho e volume de particulados, além do tipo de
reator, grau de mistura, entre outros (AYOUB, 1996).
Nesta etapa de tratamento outro medidor eletromagnético de vazão é utilizado no
controle de adição do polímero usado - polímero catiônico poliacrilamida - a fim de facilitar a
formação de cadeias polimerizadas,objetivando remoção de grande parte da carga orgânica
presente no efluente.
Neste momento, o efluente coagulado segue para um flotador.
3.2.2.4.
Flotação
É o processo pelo qual a capacidade de carregamento da água é diminuída e sua
capacidade de empuxo é aumentada por adição de agentes flotantes.
A flotação caracteriza-se pela ascensão de partículas suspensas pela aderência à micro
bolhas de ar e, através deste processo de flotação é propiciada a clarificação do meio líquido
(DI BERNARDO, et al, 2002).
14
O processo de flotação em questão utiliza tecnologia de ar dissolvido, advindo de
compressores que, quando misturado com o efluente, formará micro-bolhas, que tenderão a
emergir à superficie, arrastando material particulado. Este sistema apresenta vantagens de não
necessitar de grande área para implantação nem grande tempo de retenção, ser eficiente na
remoção de sólidos suspensos, consumir baixa energia e baixa adição de produtos químicos
além de gerar um lodo de boa concentração de sólidos.
No flotador, a massa (lodo) flotada ,é removida com uma concha espiralada giratória,
encaminhada a um espessador de lodo. O efluente líquido segue para reatores aerados de leito
móvel.
3.2.3. Tratamento Secundário – Reatores Biológicos Aerados de Leito Fluidizado
3.2.3.1. Princípio de Funcionamento da Tecnologia MBBR (Moving
Bed Biological Reactors)
A tecnologia MBBR pode ser caracterizada como uma variante do processo de lodos
ativados, na qual há adição de material suporte no tanque de aeração. Este material suporte é
um conjunto de pequenos anéis plásticos (meios-suportes) que possuem alta área superficial.
Biomassa cresce sobre os anéis, formando um biofilme e estes por possuírem densidade
próxima à da água, impulsionados pelo sistema de aeração, se movimentam utilizando todo o
volume reacional do reator (ACQUA ENGENHARIA, 2007). Trata-se, portanto, de um
processo biológico de tratamento de efluentes, aplicável para despejos domésticos e
industriais (IZQUIERDO, 2006).
O conceito básico para a introdução desses pequenos meios suportes no tanque de
aeração é obter maior área de superfície para o crescimento de biofilme ou biomassa. Assim
aumenta-se a atividade biológica e promove-se alto tempo de retenção celular sem
necessidade de aumento de estrutura de tanque (reator).
Para saber a quantidade adequada de meio suporte que se deve utilizar é preciso
conhecer a superfície específica potencial de crescimento do biofilme, o que depende do
tamanho e do desenho da peça. É usual referir-se a esta quantidade como um percentual do
volume do reator. O percentual adicionado, em termos de volume do tanque de aeração, e a
superfície específica de cada peça, indicam a área total disponível para criação do biofilme
(IZQUIERDO, 2006).
Dentre as principais vantagens da tecnologia Reator Fluidizado de Leito Móvel estão:
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• Uso de sistemas reduzidos e compactos
• Ausência de colmatação das peças - como pode acontecer nos leitos fixos - evitando
saturação do sistema
• Permite a supressão da etapa de recirculação do lodo
• Apresenta baixa sensibilidade aos picos de carga hidráulica, orgânica e às variações de
pH e de temperatura
• Apresenta menor custo operacional
•
Apresenta-se como solução para aumento de eficiência em Estações de Tratamento de
Efluentes
•
Temperatura relativamente uniforme através do leito, evitando-se pontos quentes
•
Grandes velocidades de reação, comparados aos reatores de leito fixo, devido à
uniformidade do leito.
•
Favorecimento de transporte de energia devido à fluidez.
E as principais desvantagens são (MARCO, 2013):
•
Alto custo do reator e do equipamento de regeneração do catalisador.
•
Dificuldade de eliminar calor sem interferir na fluidização.
Entre os principais parâmetros e aspectos interferentes na tecnologia MBBR estão:
• Tempo de Detenção Hidráulica - relação entre o volume do reator e a vazão do esgoto
afluente.
• Sólidos suspensos - a concentração de sólidos suspensos no interior do tanque de
aeração deve estar compreendida preferencialmente entre 1500 e 6000 mg/l.
• Relação alimento/micro-organismo.
• Idade do Lodo ou Tempo de Residência Celular - tempo médio que uma partícula
suspensos permanece sob aeração
• Condições Relativas do Lodo – relacionada à qualidade do floco formado e sua
interferência da sedimentação.
Esse tipo de reator pode ser usado em processos aeróbios ou anaeróbios. No processo
aeróbio, o movimento dos suportes com biofilme é causado pelo aporte de ar ao reator (por
meio de aeradores).
Na indústria em questão dois reatores biológicos aeróbios são utilizados e, destes
16
reatores, o efluente segue para um decantador secundário
3.2.4. Decantação secundária e destinação final
No decantador secundário, em regime contínuo, ocorre a separação do sólido presente
(lodo biológico). Este lodo é enviado para um espessador de lodo.
O espessador de lodo é responsável por reduzir a umidade presente no lodo. O líquido
retirado é encaminhado novamente ao tanque de equalização e o sólido é disposto em
caçambas com subsequente encaminhamento para compostagem.
O efluente tratado e clarificado é encaminhado ao curso d’água nas redondezas da
indústria.
3.3.
Características Físico-químicas
As características físico-químicas do efluente são de suma importância na escolha da
tecnologia de tratamento do efluente e na determinação do nível contaminante deste.
Atualmente, o controle de qualidade do efluente tratado na estação em estudo é
realizado através da análise de parâmetros pelo laboratório interno e por laboratórios externos.
O laboratório interno realiza medições frequentes de pH, temperatura, turbidez, oxigênio
dissolvido, DQO, óleos e graxas, sólidos suspensos totais, sólidos sedimentáveis e
porcentagem de umidade de lodo. Já os laboratórios externos executam análises que
corroboram algumas daquelas executadas internamente, além de avaliar outros parâmetros
não executados pela indústria. Estas análises são: pH, sólidos suspensos, sólidos
sedimentáveis, DBO 5 dias, DQO, óleos e graxas, surfactantes, além de análise da presença de
inúmeros compostos e elementos químicos como: sulfatos, chumbo, cobre, fósforo, magnésio,
zinco, dioxinas e furano, etc.
Como parâmetros de análise de qualidade do efluente, foram realizadas apenas
análises de turbidez, sólidos suspensos e demanda química de oxigênio (DQO) a fim de uma
prévia verificação da eficiência após a troca do coagulante.
3.3.1.
Turbidez
A turbidez é uma característica das águas devido à presença de partículas suspensos,
desde areia, argila, até micro-organismos. Quanto menor a turbidez da água ou efluente,
17
menor a quantidade de sólidos suspensos e melhor a qualidade do meio líquido.
A medição de turbidez pode ser realizada por meio de turbidímetros, equipamentos de
custo acessível (MAGNAN, 2010).
3.3.2.
Sólidos suspensos Totais (SST)
O teor de sólidos suspensos representa a quantidade de material particulado presente
no meio líquido.
A análise deste teor é um dos parâmetros de avaliação do grau de tratamento para
efluentes domésticos ou sanitários, já que esta fração representa a presença de microorganismos, condição de turbidez e estimativa de matéria orgânica na amostra (PROFESSOR
COLOMBO II, 2011).
3.3.3.
Demanda Química de Oxigênio (DQO)
A demanda química de oxigênio representa a quantidade de oxigênio consumido na
oxidação da matéria orgânica existente no meio. Normalmente esta análise é usada como
indicador do grau de poluição de um corpo d’água ou efluente.
Para a determinação do valor de DQO, matéria orgânica é oxidada em meio ácido por
uma quantidade conhecida de um forte oxidante. A quantidade de matéria oxidada expressa
em oxigênio é proporcional à quantidade de reagente oxidante consumido (PROFESSOR
COLOMBO I, 2011).
A DQO é um parâmetro indispensável nos estudos de caracterização de esgotos
sanitários e de efluentes industriais (CETESB, 2013).
3.4.
Teste de Jarros (Jar-test)
A dosagem ideal de produtos químicos empregados em tratamento de água ou esgoto
normalmente é obtida por meio de ensaios de laboratório denominados teste de jarros ou JarTest. Este tipo de teste não só é utilizado para determinação de dosagens de químicos em
estações de tratamento já ativas como para determinação de parâmetros básicos na elaboração
de projetos de estações de tratamento (SILVA; LAURIA, 2006).
Com estes ensaios determinam-se condições ótimas de floculação, podendo trabalhar
não só nas concentrações, mas também no tempo de residência e na velocidade de agitação do
processo. Para estas determinações se estabelece um volume de efluente e varia-se a
18
quantidade de produtos químicos a serem adicionados, neste caso, coagulante e polímero. Este
sistema é colocado sob agitação (normalmente é escolhida a rotação desta agitação) por um
período determinado e, após este tempo, o sistema é deixado em repouso para que ocorra
decantação ou flotação dos sólidos. Por fim coleta-se o que se deseja analisar, líquido ou
sólido. A figura 1 mostra uma foto de jar test.
Figura 1 - Jar Test
Fonte: QGS Química (2013)
4. Materiais e Métodos
4.1.
Agentes coagulantes e floculantes utilizados
Para a realização dos testes de coagulação/floculação foram utilizados dois coagulantes PAC e cloreto férrico e, polímero catiônico de marca Lab Química.
4.2.
Coleta do Efluente
O efluente bruto foi coletado do tanque de equalização da estação de tratamento de
efluentes e encaminhado diretamente para o laboratório da ETE, sendo que os testes foram
realizados em cerca de 3 horas, mantendo as características físico-químicas e biológicas do
efluente praticamente inalteradas.
19
4.3.
Decisões preliminares de concentrações
As decisões preliminares de concentrações foram tomadas segundo a média dos cenários
de junho e julho de 2013, respectivamente com utilização de 92.460 kg e 121.723 kg de PAC
para tratamento de 79.043m³ e 87.545 m³ de efluente. Em densidade média de 1,4 g/cm³, o
PAC dosado nos meses acima citados foi 0,929 L de suspensão por m³ de efluente e, polímero
foi dosado com concentração de 0,00233 kg/L, na proporção de 8,9 L de suspensão por m³ de
efluente.
Na tabela 1estão representadas as concentrações de coagulante e polímero utilizadas nos
ensaios de acordo com a amostra:
Tabela 1 - Concentrações de coagulante e polímero
Amostra
Coagulante
Polímero
1
Pac 929 ppm
Polímero catiônico 8900 ppm - solução 2,33 g/L
2
FeCl3700 ppm
Polímero catiônico 8900 ppm - solução 2,33 g/L
3
FeCl3800 ppm
Polímero catiônico 8900 ppm - solução 2,33 g/L
4
FeCl3929 ppm
Polímero catiônico 8900 ppm - solução 2,33 g/L
5
FeCl31000 ppm
Polímero catiônico 8900 ppm - solução 2,33 g/L
6
FeCl31100 ppm
Polímero catiônico 8900 ppm - solução 2,33 g/L
4.4.
Ensaios
Nos ensaios foram utilizados 6 cubas de acrílico transparente com capacidade individual
de 2 litros numeradas de 1 a 6, sendo que na cuba de número 1 o coagulante adicionado foi
PAC e nas outras 5 cubas utilizou-se de cloreto férrico nas concentrações indicadas na tabela
1.
As concentrações de coagulante foram determinadas mediante estudo bibliográfico
comparativo entre eficiência de cloreto férrico e poli cloreto de alumínio. Trabalhos como
Silva (2006) e Magnan (2010), dentre outros, apresentaram resultados semelhantes de
eficiência entre coagulantes distintos e alguns testes prévios no laboratório da ETE também
demonstraram que utilizando concentrações semelhantes, a eficiência de remoção de carga
orgânica se faz satisfatória. Em outros momentos testou-se utilizar de concentrações menores
às usadas com PAC, mas os resultados não foram satisfatórios, visto que, visivelmente, muitos
sólidos suspensos permaneceram no efluente.
20
A partir desta pré-análise de comportamento PAC x efluente e Cloreto Férrico x efluente,
se definiu que o limite inferior de concentração de coagulante seria de 700 ppm (239 ppm
abaixo do valor médio utilizado nos meses de junho e julho de 2013) pois assim garantiríamos
uma análise um pouco mais fundamentada se realmente era inviável utilizar um menor valor
de concentração quando comparado ao utilizado neste período. Já o limite superior de
concentração foi fechado em 1100 ppm porque, caso esta concentração fosse a única que
permitisse obter eficiência semelhante entre cloreto férrico e PAC, em custo, ainda haveria
economia financeira aproximada de 15% (percentual que garantiria atenção da alta gerência
do empreendimento).
O intervalo de concentração da solução adicionada às cubas se deu em cerca de 100 ppm,
pois observou-se que diferenças menores a estas não são consideravelmente necessárias de
serem trabalhadas a princípio devido a grande variabilidade de propriedades do efluente da
indústria.
Em todas as cubas utilizou-se polímero catiônico a 8900 ppm - solução de 2,33 g/L
(preparada previamente pela operação da estação de tratamento, segundo técnica e
concentração utilizadas diariamente in situ).
4.5.
Procedimentos para Execução dos Ensaios de
Coagulação/Floculação
Na determinação da dosagem ótima de coagulante, os testes de coagulação/floculação
foram realizados variando-se a concentração de cloreto férrico, mantendo-se a dosagem usual
de polímero catiônico (8900 ppm).
Os ensaios de coagulação/floculação foram realizados em Jar-Test da marca PoliControl –
modelo FlocControl II, onde adicionou-se 2 litros de efluente equalizado e as quantidades prédeterminadas de coagulante, seguida por agitação (50 rpm) por 20 segundos para propiciar
uma mistura homogênea. O passo seguinte consistiu da adição do polímero na proporção de
8900 ppm e, para propiciar a coagulação/floculação manteve-se as cubas por 5 minutos em
agitação de 50 rpm.
21
Figura 2 - Jar Test PoliControl
Fonte: POLICONTROL (2013)
O clarificado permaneceu em repouso por um período de 10 minutos e posteriormente
foi medida a coluna sólida que se precipitou e coletadas, do clarificado, triplicatas para a
realização de testes de turbidez, SST e DQO, possibilitando uma relação estatística eficaz dos
resultados obtidos.
O efluente coletado e utilizado nos testes apresentava pH de 7,72 – pH dentro do
esperado no tanque de equalização (de 7,5 a 7,9) – faixa confortável de atuação tanto para o
PAC como para o cloreto férrico visando ação de coagulação.
Os ensaios no equipamento Jar Test foram realizados de acordo com o seguinte
procedimento:
I.
II.
Coletou-se 12 L de efluente no tanque de equalização da ETE;
Analisou-se o pH, turbidez e sólidos suspensos do efluente;
III.
Colocou-se as amostras nos seis jarros do Jar Test identificados de 1 a 6;
IV.
Colocou-se os volumes correspondentes às dosagens de coagulante simultaneamente;
V.
VI.
Ajustou-se e ligou-se o equipamento por 20 segundos com velocidade de 50 rpm;
Desligou-se o Jar Test e adicionou-se aos jarros o volume preestabelecido de polímero
para cada recipiente;
VII.
Neste momento ligou-se novamente o equipamento em velocidade de 50 rpm durante
5 minutos para a formação de flocos;
VIII.
IX.
Após desligado, o clarificado permaneceu em repouso por um período de 10 minutos;
Mediu-se a coluna sólida que se precipitou e coletou-se triplicatas de amostras de cada
jarro para a realização de testes, possibilitando uma relação estatística eficaz dos
resultados obtidos;
X.
Para cada amostra coletada analisou-se o pH, a turbidez, SST e DQO.
22
Figura 3 - Efluente com cloreto férrico (esquerda) e com PAC (direita)
4.6.
Método para Determinação dos Parâmetros Físico-Químicos
Todas as determinações dos parâmetros físicos- químicos foram realizadas de acordo com
as Instruções de Trabalho utilizadas no laboratório da Estação de Tratamento de Efluentes da
Fábrica de Laticínios, segundo o método de análise da operação.
4.7.
Demanda Química de Oxigênio (DQO)
A análise da demanda química de oxigênio foi realizada utilizando um espectrofotômetro
de marca HACH modelo DR/2800. Foram utilizadas amostras de 2,0ml de efluente
clarificado juntamente com 1,0ml de solução digestora (dicromato de sódio, sulfato de
mercúrio e acido sulfúrico na proporção de 2:1:15) e 2,5ml de solução catalítica (sulfato de
prata e ácido sulfúrico na proporção de 1:600).
Em seguida as amostras foram agitadas e, juntamente com uma amostra de branco
(preparada da mesma forma, porém com a utilização de água destilada ao invés da utilização
de efluente), os 19 tubos de ensaio foram levados para digerir, em um bloco digestor, durante
duas horas à temperatura de 150°C. Após este tempo foi aguardado 20 minutos e agitou-se
bem as amostras; em seguida executou-se a leitura no espectofotômetro, a 810 nm de
comprimento de onda. Obs.: todas as amostras foram diluídas na proporção de 1:10.
Visto que o dicromato de sódio é um agente oxidante forte, seus íons dicromato são
reduzidos pela matéria orgânica presente no efluente e, o espectrofotômetro faz a leitura da
quantidade de dicromato resultante na solução, possibilitando determinar a demanda de
oxigênio.
23
4.8.
Sólidos Suspensos Totais (SST)
A determinação da quantidade de sólidos suspensos se deu através da leitura das amostras,
após filtração à vácuo, no mesmo espectrofotômetro utilizado para leitura da Demanda
Química de Oxigênio (DQO), entretanto na função SST do equipamento, em comprimento de
onda de 810 namômetros. Não foi necessário realizar diluição das amostras para a execução
das leituras.
4.9.
Potencial Hidrogeniônico (pH)
A determinação do pH ocorreu através de um phmetro de bancada METTLER TOLEDO,
modelo S20.
4.10.
Turbidez
A determinação da turbidez foi realizada em um turbidímetro da marca PoliControl
modelo AP 2000, com range de 0 a 1000 NTU (Nephelometric Turbidity Unit). O
equipamento possui cubeta específica de volume de 25ml.
5.
Resultados e Discussão
5.1.
Caracterização do Efluente Bruto
Os testes foram conduzidos com um efluente cujas características estão descritas na tabela
2, a seguir:
Tabela 2 – Valores dos parâmetros analisados no efluente bruto
Temperatura
DQO (mg/l)
pH
SST (mg/l)
Turbidez (NTU)
34ºC
6030
7,72
1462
1520
5.2.
Demanda Química de Oxigênio
A leitura da DQO possibilitou perceber que a amostra 1 (tabela 1) apresentou eficiência de
remoção aproximada as eficiências das amostras 4, 5 e 6 – com 929, 1000 e 1100 ppm de
coagulante cloreto férrico, respectivamente. Mostrando ainda ser inviável tecnicamente a
24
utilização das concentrações utilizadas nas amostras 2 e 3.
A tabela 3 apresenta os valores de DQO apresentados no espectrofotômetro:
Tabela 3 - Valores de DQO obtidos após Jar Test
5.3.
Amostra
DQO (mg/l)
Desvio Padrão
1
1940
±5
2
2250
± 10
3
2090
± 10
4
1920
± 10
5
1960
±5
6
1980
±5
Sólidos Suspensos Totais (SST)
Assim como na leitura da DQO, os resultados que se mostraram atrativos foram das
amostras de numeração 4, 5 e 6. As amostras 2 e 3 não apresentaram bons resultados de SST,
como já se imaginava de acordo com os testes prévios realizados nas etapas de determinação
das concentrações a serem utilizadas.
A tabela 4 apresenta os valores de SST obtidos no espectrofotômetro:
Tabela 4 - Valores de SST obtidos após Jar Test
5.4.
Amostra
SST (mg/l)
Desvio Padrão
1
395
±5
2
461
±2
3
423
±3
4
394
±4
5
378
±2
6
356
±4
Potencial Hidrogeniônico (pH)
Nenhum valor apresenta criticidade quanto ao teor de basicidade, entretanto as amostras 4,
5 e 6 apresentaram valores que garantem que efluente com pH mais perto da faixa de
neutralidade seja enviado ao curso d’água.
O resultado obtido foi anotado, conforme tabela 5
25
Tabela 5 - Valores de pH obtido após Jar Test
5.5.
Amostra
pH
Desvio Padrão
1
7,16
±0,01
2
7,58
±0,01
3
7,42
±0,01
4
7,30
±0,01
5
7,20
±0,01
6
7,13
±0,01
Turbidez
Com exceção da amostra de número 2, todas as outras apresentaram valores de turbidez
bastante atrativos, mostrando que a utilização do cloreto férrico como coagulante,
proporcionaria melhorias no processo de tratamento, resultando em efluente de melhor
qualidade.
A tabela 6 apresenta os valores de Turbidez apresentados no turbidímetro:
Tabela 6 - Valores de turbidez obtidos após Jar Test
5.6.
Amostra
Turbidez (NTU)
Desvio Padrão
1
154
±3
2
160
±1
3
120
±1
4
96
±1
5
90
±2
6
88
±1
Resultados da Caracterização do Efluente após coagulação/floculação
A caracterização do efluente com pré-tratamento (coagulação/floculação) se deu mediante
análise dos resultados de DQO, SST e turbidez do efluente – anteriormente apresentados –
após processo de coagulação, floculação e decantação. Estes apresentaram bom resultados
para o coagulante foco deste trabalho (cloreto férrico) como discutido.
26
Figura 4 – Coluna sólida formada com adição de cloreto férrico (à esquerda) e com PAC( à
direita)
Tabela 7 - Resultados obtidos após Jar Test
Amostra
Turbidez (NTU)
SST (mg/L)
DQO (mg/L)
pH
coluna sólida (cm)
1
154
395
1940
7,16
4,3
2
160
461
2250
7,58
4,5
3
120
423
2090
7,42
4,1
4
96
394
1920
7,30
3,7
5
90
378
1960
7,20
3,2
6
88
356
1980
7,13
3,0
Nesta tabela, além dos resultados apresentados anteriormente, são apresentados dados
de altura de coluna sólida, onde quanto menor seu valor, maior compactação possui o lodo e,
consequentemente, menor quantidade de resíduo será necessário descartar.
Analisando os dados das amostras é possível observar que a amostra de número 4,
com concentração de 929 ppm de cloreto férrico apresentou excelentes resultados em todos os
parâmetros avaliados e sua utilização pode realmente ser uma boa alternativa para testes in
situ, conforme figura 5.
27
Figura 5 - Resultados Obtidos
Quando aumenta-se a concentração de coagulante, tanto os valores de turbidez quanto
de SST diminuem, entretanto os valores de DQO não se comportam da mesma forma,
demonstrando que a concentração de 929 ppm de cloreto férrico é o valor ideal a ser
trabalhado.
6. Viabilidade Econômica
Considerando cenário verificado em setembro de 2013, o preço de compra destes produtos
químicos pela indústria é de: PAC R$0,98 e FeCl3 R$0,69.
Para um valor médio de efluente de 115 m³/h de tratamento e utilizando dados de gastos
com coagulante nos 7 primeiros meses do ano de 2013 na Estação de Tratamento de
Efluentes, pode ser constatado que, se for utilizado cloreto férrico a 929 ppm, será
economizado mensalmente 29,6% do custo despendido na compra de coagulante.
7. Conclusão
Após análise conclui-se ser viável, técnica e economicamente, a substituição do atual
coagulante (PAC) por cloreto férrico. O teste in situ ainda tem como objetivo executar a
homologação do novo insumo (coagulante), comprovando a eficácia do tratamento após suas
várias etapas além de mensurar benefícios como: redução no custo de operação, melhora no
adensamento de lodo e redução da DQO do efluente enviado para o corpo hídrico.
A princípio foram identificados alguns pontos positivos com a troca de coagulante que,
certamente, seriam de grande valia para a empresa, destacando-se a minimização na
28
quantidade de produto químico para acerto de pH no tanque de equalização, visto que para
utilização de PAC o pH deve ser em faixa de 7,0 a 8,0 e é utilizado ácido clorídrico para
reduzir o pH do efluente da indústria – o cloreto férrico usado como coagulante atenderá
também esta necessidade de diminuir o potencial hidrogeniônico do efluente.
Ainda de grande relevância, o alumínio presente no PAC, quando em excesso, pode
prejudicar a ação microbiológica, em se tratando de uma estação biológica de tratamento fazse importante que a ação microbiológica permaneça ativa e, ainda foi identificado que o
cloreto férrico é um insumo que auxilia no controle de odores em Estações de Tratamento de
Efluentes, atualmente este é usado periodicamente para este fim - bombonas deste insumo são
adicionadas no tanque de equalização com o intuito de mitigar a percepção dos odores
inerentes ao processo de tratamento de efluentes.
Na avaliação da viabilidade financeira, o cloreto férrico mostra-se mais atrativo,
alcançando um custo mensal de 29,6% inferior ao custo referente à compra de Poli cloreto de
alumínio se forem usados na mesma proporção na Estação de Tratamento.
Como a variabilidade físico-química do efluente e mudanças apresentadas em testes de
bancada versus in situ não são mensuráveis, pode haver variação neste percentual. Assim, a
princípio é sugerido que a substituição do coagulante seja executada de acordo com a
dosagem de PAC do atual cenário, pois os resultados de DQO e SST apresentaram valores
atrativos quando utilizada igual dosagem dos respectivos coagulantes (PAC e FeCl3) e um
bom resultado de turbidez foi obtido. Somente após o teste industrial poderá haver certeza do
percentual de economia do novo cenário, instante este em que será possível observar a
dosagem ideal dos insumos.
Diante dos resultados encontrados pode-se concluir que o coagulante cloreto férrico
juntamente com o polímero catiônico atualmente utilizado na estação de tratamento é uma
alternativa viável para o tratamento em questão.
29
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