Remoção de partículas de suspensões de caulim e de águas brutas por coagulação-floculação com cloreto férrico e amido gelatinizado

Abstract

Nas estações de tratamento de águas de abastecimento (ETAs) são utilizados reagentes visando a agregação e separação de partículas suspensas por sedimentação ou flotação. Alguns dos coagulantes e floculantes usualmente empregados são contestados por questões técnicas, econômicas e de saúde. Este trabalho resume aspectos da problemática ambiental do uso desses reagentes, principalmente os sais inorgânicos de alumínio devido aos efeitos prejudiciais à saúde humana, após ingestão cumulativa quando somados a outras fontes. Além disso, os floculantes comerciais a base de poliacrilamidas possuem monômeros residuais (acrilamida) que representam riscos ecotoxicológicos e os taninos requerem, na sua fabricação, de formaldeído e cloreto de amônio, compostos reconhecidamente tóxicos. Esta dissertação apresenta ainda um estudo experimental de formação e caracterização estrutural dos flocos e a clarificação de suspensões aquosas (caulim como partículas modelo) e de água bruta (Rio dos Sinos, Novo Hamburgo-RS) com FeCl3 e amido gelatinizado, como exemplo de reagentes ambientalmente sustentáveis. Os resultados obtidos com essa combinação de reagentes foram comparados com cloreto de polialumínio (PAC), reagente usado na ETA desse município, em termos de índices de floculação (IF), microscopia ótica, volume de sólidos formados e redução da turbidez, após floculação-sedimentação. Os ensaios foram realizados em escala de bancada e em sistema contínuo de coagulação-floculaçãosedimentação e visaram avaliar e otimizar comparativamente os parâmetros físico-químicos e hidrodinâmicos envolvidos. O IF usando cloreto férrico e amido gelatinizado foi mais elevado validando as concentrações ótimas obtidas nos estudos de floculação-sedimentação. Ainda, a estrutura dos flocos e volume de lodo formado (avaliados por microscopia ótica e medidos em cones Imhoff), mostraram flocos estruturados com elevada taxa de sedimentação, com o uso de FeCl3 e amido gelatinizado. Os resultados de bancada (testes de jarros) mostraram que as melhores condições foram: i. [PAC] = 60 mg.L-1; pH =7,5; gradiente de velocidade (G) mistura rápida = 1000 s-1; G mistura lenta = 40 s-1, e ii. [Fe3+] = 15 mg.L-1; [amido gelatinizado] = 10 mg.L-1; pH =7,0; G mistura rápida = 1000 s-1; G mistura lenta = 60 s-1. Esses resultados de clarificação foram validados em regime contínuo usando água bruta real, avaliando o efeito de lamelas inclinadas no tanque de separação (sedimentação lamelar - SL). Foram obtidos valores de turbidez residual média de 2,5 NTU (turbidez inicial = 26,2 NTU), com o uso de lamelas (inclinação de 60º e espaçamento de 1,3 cm), com FeCl3 + amido gelatinizado, para uma taxa de aplicação superficial (TAS) = 3 m.h-1 com elevado gradiente de velocidade (60s-1). Com o uso de PAC, nas mesmas condições de TAS e sedimentação, foram obtidos valores médios de turbidez residual de 11 NTU e com menor gradiente de velocidade (40s-1) na etapa de floculação. Os resultados foram discutidos em termos dos mecanismos envolvendo adesão/aprisionamento das partículas no efeito de varredura e formação de flocos pela interação das moléculas de amido (especialmente amilopectina) com partículas (coágulos) portadoras de ferro. Como conclusão principal, é indicado o potencial de aplicação combinada de um reagente sustentável e não-tóxico com um reagente a base de sal de íons férricos para o tratamento de águas. Recomenda-se validar os resultados em escala piloto, para levantamento de parâmetros de projeto em nível industrial, com o uso da combinação dos reagentes propostos.

In drinking water treatment plants, reagents are used for the aggregation and separation of suspended particles by sedimentation or flotation. Some of the coagulants and flocculants usually employed are contested by technical, economic and health issues. This work summarizes aspects of the environmental problem of the use of these reagents, mainly inorganic aluminium salts due to their harmful effects on human health, after cumulative ingestion when added to other sources. Moreover, commercial flocculants based on polyacrylamides have residual monomers (acrylamide) that represent ecotoxicological risks and tannins require, in their manufacture, formaldehyde and ammonium chloride, which are known to be toxic compounds. This dissertation also presents an experimental study of the formation and structural characterization of flocs and the clarification of aqueous suspensions (kaolin as model particles) and raw water (Rio dos Sinos, Novo Hamburgo-RS) with ferric chloride (FeCl3) and gelatinized starch, as example of environmentally sustainable reagents. The results obtained with this combination of reagents were compared with the use of polyaluminum chloride (PAC), a reagent used in the drinking water treatment plant of this city, in terms of flocculation indices, optical microscopy and volume of formed flocs and reduction of turbidity after flocculation-sedimentation. The tests were carried out on a bench scale and in a continuous coagulation-flocculation-sedimentation system, and aimed to comparatively evaluate and optimize the chemical, physicochemical and hydrodynamic parameters involved. The Index Flocculation (IF) using ferric chloride and starch, were higher validating the optimal concentrations obtained in the flocculation-sedimentation studies (jar test). Furthermore, the structure of the flocs and volume of sludge formed (measured in Imhoff cones and optical microscopy studies) showed higher sedimentation rates. The bench results ( jar tests) showed that the best conditions were: i. [PAC] = 60 mg.L-1; pH =7.5; Gfast mix = 1000 s-1; Gslow mix = 40 s-1, and ii. [Fe3+] = 15 mg.L-1; [gelatinized starch] = 10 mg.L- 1; pH=7.0; Gfast mix = 1000 s-1; Gslow mixing = 60 s-1. The clarification results were validated under continuous regime using real raw water, and evaluating the effect of sloped lamellae in the separation tank (lamellar sedimentation - LS). Obtained residual turbidity values of 2.5 NTU (initial turbidity = 26.2 NTU), using lamellae (60º inclined spaced 1,3 cm apart), with FeCl3 + gelatinized starch, for a superficial loading about 3 m.h-1 with high velocity gradient (60s-1) in the slow mixing phase. With the use of PAC, under the same conditions, residual turbidity value of 11 NTU, with a lower velocity gradient (40s-1), were obtained on flocculation stage. The results were discussed in terms of the mechanisms involving adhesion/trapping of kaolin/colloidal particles in the effect of sweeping and floc formation by the interaction of starch molecules (especially amylopectin) with iron-bearing particles. As a main conclusion, is indicated the potential application of this combination of a sustainable and non-toxic reagent with a iron reagent for the treatment of drinking water. It is recommended to validate the results on a pilot scale, to survey project parameters at an industrial level.