Aula 13 - Tratamentos fisicos-quimico - 20.10

Tratamento de

Água e Efluentes

2º. Sem./2010

Eng.Ambiental

2

Métodos de

Tratamento

Químicos

Decantador

primário

Reator

biológico

Entrada

ETE

Esquema Convencional

Flotador

Caixa de

areia

Decantador

secundário

grades

Espessador

de lodo

Bomba

de lodo

Digestor de lodo Condicionamento e

secagem de lodos

Remoção

especial

Recirculação de lodo

Destino final do

lodo desidratado

(aterro sanitário)

Reto

rno

so

bre

nad

an

te

Legenda:

• Fase liquida sendo clarificada

• Sobrenadante retorno a ETE

• Lodo (sólido) remoção e

tratamento

Destino final do

efluente tratado (lago,

rio, corpo d´água)

5

Tratamento de Efluente

Métodos

Operações unitárias

Forças físicas

Processos unitários

Reação química ou biológicas

6


Métodos

Tra

tam

en

tos F

ísic

os

• gradeamento

• Peneiramento

• Sedimentação

• Separação gravidade diferencial

• Flotação

• Filtração

• Aeração

• Stripping

• Adsorção

Tra

tam

en

to q

uím

ico

s

• Acerto de pH

• Preciptação química

• Oxi-redução

• Troca-iônica

Tra

tam

en

to b

ioló

gic

os

• Processo aeróbicos

• Lodos ativados

• Lagoas aeradas

• Lagoas de estabilização

• Filtros biológicos

• Contactores biologicos rotativos

• Processos anaeróbicos

• Reatores fluxo ascendente

Os tratamentos físico-químicos são

caracterizados pelos seguintes processos:

Ajuste de pH

Precipitação Química

Oxi-redução

Troca Iônica


Tratamentos Químicos

8



No que consiste os tratamentos Químicos?

São processos unitárias em que atuam as

transformações químicas promovendo a

separação de fases de modo que cada uma

dessas fases segregadas sofra tratamentos

específicos finais ou complementares.

9



O tratamento químico pode ser utilizado como pré ou

pós-tratamento de efluentes industriais, objetivando :

Clarificação de despejos contendo sólidos em suspenção ou

material coloidal (1 a 100 micras);

Desbaste parcial de carga orgânica (DBO) antes de um

tratamento biológico;

Eliminação de poluentes recalcitrantes (ex.: ingredientes

farmacêuticos ativos – API)

Remoção de metais pesados, cianeto, arsênio, fluoretos, boro,

fósforo, etc

Polimento de efluentes de tratamento biológico com relação a SS

e turbidez, visando tratamento avançado, com finalidade de reuso

10

Ajuste de pH. Para que serve ?

É uma das formas de condicionamento das

águas residuárias industriais de acordo com as

finalidades requeridas a “jusante”, segundo os

seguintes casos:


Ajuste de pH

11

Quando são necessários ?

Antes da descarga em corpo d´água receptor ou sistema público:

• enquadramento na faixa adequada de lançamento (corpo hídrico) – 5,0 a 9,0 (Conama 357)

Antes de processos físicos (convencionais e avançados)

• Garantir operacionalidade em processos como: osmose reversa, troca iônica, clarificação.

Antes de processos químicos de tratamento

• pH ótimo para remoção de “metais pesados”, oxidação de cianetos, redução do cromo, remoção da amônia, fósforo, etc

Antes de processos biológicos de tratamento

• Garantir funcionalidade (aeróbicos e anaeróbicos)


Ajuste de pH

12

Como é feito o ajuste de pH ?

Fundamentalmente de duas formas:

a) Mistura em tanques de equalização ou tanques-

pulmão das correntes de despejos ácidos e alcalinos

oriundos da mesma ou de outra planta;

b) Adição de ácidos (ou bases) nas correntes de

despejos


Ajuste de pH

13

Sistema ajuste pH – Tanque de Equalização

Curtume - http://www.belafranca.com.br/tratamento.asp


Ajuste de pH

14

Ajuste pH (online) – Adição de Químicos

1. Estação de dosagem para

ácidos

2. Estação de dosagem para

alcalinos

3. Controlador para controle

do pH

4. Misturador estático

5. Sensor de pH

6. Bombas dosadoras

1

5

3

2

4 6


Ajuste de pH

15

Controle de pH - Elementos

Controlador

sensor

dosador


Ajuste de pH

16

Óxido de cálcio – CaO (cal virgem)

Carbonato de cálcio – CaCO3 (calcário)

Hidróxido de sódio – NaOH (soda cáustica)

Carbonato de sódio – Na2CO3 (barrilha)

Hidróxido de amônia – NH4OH (amoníaco)


Ajuste de pH

17

Álcali Vantagens Desvantagens

CaO Mais usado, baixo custo. Gera muito lodo, Se

neutralizado com H2SO4

CaSO4 (insolúvel)

CaCO3 Efetivo, utilizado na forma

de leito ou coluna. Pode

ser usado em associação

Restrição à H2SO4 > 0,6%

(colmatação do leito com

formação de CaSO4).

NaOH Reativo, armazenamento,

automatização, lodo gerado

solúvel (sais de sódio)

Custo elevado, manuseio

perigoso, neutralização libera

muito calor

Na2CO3 Ação rápida. Custo baixo Gera CO2 (formação espuma)

NH4OH Gera NH3 (pode contaminar)


Ajuste de pH

18

Ácido sulfúrico – H2SO4

Ácido clorídrico - HCl

Gás carbônico – CO2


Ajuste de pH

19

Álcali Vantagens Desvantagens

H2SO4 Dosado em altas

concentrações (menor

volume).

Corrosivo. Neutralizado com

sais de Na (sais solúveis) e Ca

(sais insolúveis). Íons sulfatos

podem ser reduzidos a sulfetos

(anaeróbio) H2S

HCl Menor preço/kg que H2SO4. Odor irritante e penetrante.

Comercializado a 33% (maior

volume armazenamento)

CO2 Reage com a alcalinidade

do meio formando

bicarbonatos solúveis

“efeito tampão” (pH 8-8,5)

Custo elevado, requer

instalações de gás

(borbulhamento)


Ajuste de pH

20

Controle de pH - Neutralização

Sensibilidade na

vizinhanças do

ponto baixo “efeito

tampão”


Ajuste de pH

Dióxido

de

carbono

Evaporador

Tanque

criogênico

Painel

de

controle

Medidor de CO2

Solvocarb

reator

Tanque de

neutralização Afluente

alcalino Efluente

tratado

Bomba

centrífuga

Sensor pH

Fonte: Linde (gases industriais)


Ajuste de pH


Ajuste de pH

No processo SOLVOCARB®-R,

dissolve-se dióxido de carbono na água

residual através de um reator. Este

último pode ser inserido no afluente

principal ou num efluente de retorno.

Estes reatores feitos de plástico

operam normalmente a uma pressão até

6 bar e a temperatura

máxima de operação é 45º C. Para

temperaturas ou pressões superiores,

podem ser utilizados reatores de aço

inoxidável


Ajuste de pH

O dióxido de carbono combina-se com a

água para formar ácido carbônico

segundo a reação:

• CO2 + H2O → H2CO3

O ácido carbônico reage com as bases

segundo a reação:

• H2CO3 + B - → HCO3 - + HB (1ª acidez)

• HCO3 - + B - → CO3

2- + HB (2ª acidez)

Sendo B - = OH - , NH3, etc

24

Exercício Proposto 1 – Ajuste de pH

Uma vazão de 25m3/h de um efluente industrial

predominantemente ácido deverá ser neutralizado até

pH em torno de 7 a fim de ser submetido a tratamento

biológico. Dimensionar um dispositivo de neutralização

com Ca(OH)2 a 10% (considerar neutralização, em

regime de fluxo contínuo, em um único estágio),

determinando-se

1) Consumo de reagentes;

2) Volume do reator.


Ajuste de pH

25

Exercício Proposto 1 – Ajuste pH

Resposta esperada:

a) 3.600 mg/L de cal

b) volume de cal = 0,9 m3/h

c) Volume reator = 6,25 m3


Ajuste de pH

26

Sistema de Dispersão – M. Rápida e Floculador

Existe dois tipos de sistema floculação: mecânico e o

de chicanas;

Floculadores mecanizados:

Com agitador de paleta

De Eixo vertical tipo fluxo axial


Tratamentos Físico-Químicos

27


O volume do tanque é calculado a partir do tempo de

retenção hidráulico:



𝑉 = 𝑄. 𝑇𝑟

Onde,

V = volume do tanque (m3); Q – vazão (m3/min) Tr – tempo de retenção hidráulico (min)

28


A potência de agitação, tanto em tanques de mistura

rápida como em tanques de floculação, é calculada

pela expressão:



Onde,

P – potencia (CV); µ – viscosidade absoluta da água 20º C (1,09x10-4 kgf.s/m2) G – gradiente de velocidade (s-1) Nota: Fator conversão de kgf.m/s em CV = 76

𝑃 =µ. 𝑉. 𝐺2

76

29

Exercício Proposto 2 – Sistema de Dispersão

Calcular o volume e a potencia de agitação de um

tanque de mistura rápida, com agitador tipo turbina

radial, bem como de um tanque de floculação, com

floculador mecânico de turbina axial, para o tratamento

físico-químico de um despejo industrial cuja a vazão a

ser tratada é de 25 m3/h. Os ensaios de tratabilidade

indicaram tempos de detenção, respectivamente, de

1000 s-1 e 50s-1. Dado:

Viscosidade absoluta do líquido a 20º C = adotado da

água (1,029x10-4 kgf.s/m2);



30

Exercício Proposto 2 – Sistema de Dispersão

Resposta esperada:

a) tanque de mistura rápida:

V = 0,42 m3 e P = 0,57 CV

B) tanque de floculação

V = 6,25 m3 e P = 0,02 CV



31

O que é ?

Método muito utilizado para remoção de metais

pesados solúveis nos efluentes líquidos industriais,

através da:

Adição de uma substância que reage quimicamente

com a substância em solução, formando, um

composto insolúvel, (ex: precipitação na forma de

hidróxidos e sulfetos).

Adição de uma substância que altera o equilíbrio de

solubilidade, de forma a não mais favorecer a

permanência da substância em solução;



32

O que é ?

Adição de compostos que reagem entre si

formando um precipitado, que irá arrastar ou

adsorver a substância a ser removida (co-

precipitação)

Alteração da temperatura de uma solução

saturada ou próxima a saturação, para diminuir a

solubilidade da substância presente;



33

Adição de uma substância formando

composto insolúvel (mais comum)

Consiste em mudar a solubilidade e tornar insolúveis

algumas ou todas as substâncias dissolvidas numa

corrente líquida, alterando-se o equilíbrio químico

(Kiang e Metry, 1982 e Idaho, 1992)

A precipitação de metais depende de dois fatores:

concentração do metal e o pH da água

Concentração metais pesados 1 a 100 mg/L

pH < 7 ou pH muito alcalino (vide gráfico)



34 Fonte:Environmental Protection Agency (EPA)



O gráfico ilustra como a

solubilidade de um metal

pesado é diretamente

influenciado pelo pH

O ponto de inflexão das curvas

definem os limites de

concentração dos metais

dissolvidos

35

Processos usuais de precipitação química



Químico Metal removido pH vantagens desvantagens

Hidróxido

de Cálcio

(Cal)

As; Cd; Cr(III);

Cu; Fe; Mn; Ni;

Pb e Zn.

Eficiência de

Remoção:

•> 99,0 % para

Cr; Cu; Pb e Fe;

•98,6 % para o

Zn; e

•97,0 % para o Ni

9,4

- Comumente

utilizado

- Efetivo

- Econômico

- O lodo é

desidratado

facilmente.

- Gera um grande volume

de lodo.

- Interferência com agentes

complexantes

quando da estabilização da

lama de hidróxidos.

- Dosagem excessiva pode

reduzir a qualidade de

efluentes

- A lama gerada não é

adequada para a

recuperação do metal.

36




Químico Metal removido pH Vantagens desvantagens

Hidróxido

de Sódio

(Soda

Caustica)

As; Cd; Cr(III);

Cu; Fe; Mn; Ni;

Pb; Zn e Ag.

Eficiência de

remoção:

•> 99 % para o

Cd; Cr; Pb; Ni; e

Zn;

• 98 % para o

Cu;

•76% para a Ag

9 a 11

- Gera um menor

volume de lodo

- Apresenta uma

excelente

eficiência de

neutralização.

- O lodo é

adequado para a

recuperação de

metais.

- Mais caro que o óxido

de cálcio.

- Necessita de

equipamentos de grande

parte para a separação

dos sólidos, em função

do material precipitado

ser muito fino.

37





Óxido ou

Hidróxido

de

Magnésio

As; Cd; Cr(III);

Cu; Fe; Mn; Ni;

Pb e Zn.

8 a 9

- Efetivo para o

tratamento de

efluentes com baixa

concentração de

metais (≤ 50mg/l).

- Pequeno volume de

lodo;

- Fácil desidratação

do lodo.

- Mais eficiente

quando realizado em

bateladas

- Reagente de custo

bastante elevado.

- Deve-se utilizar uma

quantidade de três a

quatro vezes superior

à estequiométrica,

para elevar o pH para

valores entre 8 e 9.

38





Sulfetos

solúveis.

(Sulfeto

de Sódio)

As; Cd; Cr(III);

Fe; Mn; Pb; e Zn.

Eficiência de

remoção:

- 82% para o Pb;

- 88% para o Cr;

- 93% para o Zn;

- 95% para o Cd;

- 98% para o Cu

e Ni;

9

- A solubilidade dos

sulfetos metálicos é

menor que a dos

hidróxidos.

- Os cromados não

requerem a etapa de

redução:

- Não é afetado pela

maioria dos agentes

quelantes.

- Lodo adequado para

a recuperação dos

metais

- Pode ocorrer a

geração de gás

sulfídrico em

condições ácidas.

- O efluente tratado

pode apresentar

excesso de sulfeto

após o tratamento.

- A formação rápida

de precipitado pode

dificultar a

Precipitação

39

Tratamento Efluente contendo “Cianeto”



Elevação de pH (> 10)

Oxidação do cianeto

Redução do pH

• NaOH

• Ca(OH)2

• Cl2

• NaClO

• Ca(OCl)2

• H2O2

• 03

• HCl

• H2SO4

Afluente c/

CN-

Efluente c/

cianato

CNO-

O cianato (CNO-) é cerca de 1.000

vezes menos tóxico que (CN-)

40

Tratamento Efluente contendo “Cromo

hexavalente”



Redução do pH para

abaixo de 3,0

Redução do cromo: Cr6+ Cr3+

Elevação pH p/ 8 a 9

Precipitação do Cr3+

• NaOH • H2SO4

Efluente c/

Cr6+

• SO2

• NaHSO3

• FeSO4

• Precipitado

como

hidróxido

de cromo –

Cr(OH)3

41

Restrição do método de precipitação

A casos frequentes de precipitação de metais sob a

forma de hidróxidos em que não se atingem os níveis

exigidos pela legislação

Isso se deve porque muitas plantas de galvanoplastia

contêm compostos que interagem com metais

dissolvidos e interferem com a sua precipitação como

hidróxido metálicos.

Exemplo: metais pesados complexados com cianetos

Formam íons complexados solúveis em sol. neutras e

levemente alcalinas



42



Agentes quelantes:

Cianetos

Fosfatos

EDTA

43

Como remover este íons ?

Precipitação / remoção do metal da solução por um

método que, ao contrário da precipitação de

hidróxidos, é relativamente imune aos efeitos

quelantes dos compostos (cianeto, fosfatos e EDTA)

Ex.: precipitação por sulfeto e troca iônica

Pré-tratamento dos efluentes para livrar o íon metálico

dos agentes quelantes.

Ex.: condições extremas de pH para dissolver o metal

complexado liberando o íon metálico, uso de Cálcio

para “segurar” o complexo quando reajustar o pH



44

O que é ?


Oxidação ou redução

As reações de oxidação-redução química são aquelas nas

quais o estado de oxidação de pelo menos um dos

reagentes envolvidos é elevado, e o outro, reduzido (Kiang

e Metry, 1982 e Idaho, 1992). Exemplo:

2 MnO4- + CN- 2 MnO4

2- + CNO- + H2O;

Nox CN- : aumenta de -1 para +1

Nox MnO4- : diminui de -1 para -2

Têm por objetivo diminuir a toxicidade de uma determinada

corrente líquida;

Podem ser utilizados para compostos orgânicos, metais e

alguns compostos inorgânicos.

45

Principais agentes Oxidantes



46

Aplicação dos agentes oxidantes na ETE



Oxidante Contaminante

Ozônio Sulfetos; Odores;

Cianetos; Compostos orgânicos

Ar Sulfitos; Sulfetos;

Íons ferrosos (muito lento)

Cloro gás Sulfetos;

Mercaptanas

Cloro gás em meio alcalino Cianeto

Dióxido de cloro Cianeto;

Pesticidas

Hipoclorito de sódio Cianeto;

Chumbo;

Hipoclorito de cálcio Cianeto

47

Aplicação dos agentes oxidantes na ETE



Oxidante Contaminante

Permanganato de potássio Odores; Cianetos; Chumbo

Fenol; Pesticidas; Compostos

orgânicos contendo enxofre;

formaldeídos, manganês

Peróxido de hidrogênio Fenol; Cianeto;

Compostos contendo enxofre e

Chumbo

48

O que é ?


Troca Iônica

• Processo de separação onde o soluto é retido por meio de uma reação química com uma resina sólida trocadora de íons (os íons em solução podem ser removidos por este processo)

• Exemplos ETE:

• Espécies iônicas dissolvidas (Al3+, Pb2+, Sr2+, etc.)

• Ânions inorgânicos (F-, NO3-, SO42-, CN-, etc)

• Ácidos orgânicos (carboxílicos, fenóis, etc)

• Exemplo ETA

• Abrandamento de água industrial (remoção de íons de Ca e Mg que causam depósitos e incrustações nas tubulações e equipamentos)

49


Troca Iônica - Abrandamento

50

• Dreno CaCl2

MgCl2

R- Na+

(resina catiônica)

Água Dura

Ca(HCO3)2

Mg(HCO3)2

CaCl2

MgCl2

CaSO4

MgSO4

Água abrandada

NaHCO3

NaCl

Na2SO4


Troca Iônica - Abrandamento

Onde Estudar a Aula de Hoje

Nos Livros

• Cavalcanti, José Eduardo W. de A. – Manual de

Tratamento de Efluentes Industriais – ABES –

Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e

Ambiental ( Cap. 10 e 11)

• Hespanhol, Ivanildo & Mierzwa, José Carlos -

Água na Indústria – Uso Racional e Reuso – Cap 6

(Técnicas para Tratamento de Efluentes)

Contato

52

Education

Aula 13 - Tratamentos fisicos-quimico - 20.10