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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO – UPF FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - FEAR PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DISCIPLINA: TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS. TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE EFLUENTES. Prof. Marcelo Hemkemeier Prof. Paulo Roberto Koetz. PASSO FUNDO/RS SETEMBRO/2009. - PowerPoint PPT Presentation
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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO – UPFFACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - FEAR
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIADISCIPLINA: TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS
TRATAMENTO FÍSICO-QUÍMICO DE EFLUENTES
Prof. Marcelo HemkemeierProf. Paulo Roberto Koetz
PASSO FUNDO/RSSETEMBRO/2009
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
soluções (<10Å)• Dispersões dispersões coloidais (10-1000Å)
suspensões (>1000Å)
• Distribuição dos poluentes:
sólidos dissolvidosSólidos totais
sólidos suspensos
fixosvoláteisfixosvoláteis
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Aplicações no tratamento de efluentes:
– Caracterização de efluentes;– Monitoramento da planta de tratamento;– Identificação da DBO nas diferentes fases;– Determinação da biomassa (sólidos voláteis – 70-
85% dos sólidos totais);
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS• Escolha do tipo de tratamento físico-
químico:• Relação DBO/DQO(Tendendo a 1 – proc.
biológico)• Relação SSV/SV >80%: Decantação
simples, flotação, precipitação química com coagulante ou variação de pH;
• Relação SDV/SV >80%: Adsorção com carvão ativo, oxidação química, precipitação química com elevação de pH;
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
Hidrofílicos• Tipos de colóides
Hidrofóbicos
• Estado coloidal
SolGelEmulsão Aerosol
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
•Reações de Oxi-Redução: provocam variação real ou teórica de um átomo
– Oxidante: quem provoca a oxidação e por consequência se reduz (ganha elétrons);
– Redutor: quem provoca a redução e por consequência se oxida (perde elétrons);
•Potencial de Oxi-Redução (POR): é a medida da capacidade de oxidação ou redução de uma substância/efluente
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Produtos químicos utilizados:
– Precipitantes químicos
– Auxiliares de floculação
Sulfato de alumínio (+cal)Cloreto férrico (+cal)Polieletrólito catiônicoCalTanino
Polímeros (aniônico, catiônico, neutro)Silica ativada
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Produtos químicos utilizados:
– Correção de pH (efluente alcalino)
– Correção de pH (efluente ácido)
Gás carbônicoÁcido sulfúricoÁcido clorídrico
Cal hidratadaCarbonato de cálcioHidróxido de sódio
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Produtos químicos utilizados:
– Oxidantes
– Redutores
CloroPeróxidoOzônio
Bissulfito de sódioDióxido de enxofreMetabissulfito de sódio
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Produtos químicos utilizados:
– Remoção de fósforo
– Remoção de cor
Sulfato de alumínioCloreto férrico + calCal
CloroOzônioCarvão ativoCoagulantes
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Utilização recomendável dos Processos Físico-Químicos:– Poluentes inorgânicos dissolvidos ou não;– Metais pesados;– Óleos e graxas;– Cor;– Matéria orgânica não biodegradável tóxica
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
• Mecanismo de escolha do processo de tratamento:
RELAÇÃO DQO/DBO
DQO < 2xDBO – Proc. BiológicoDQO < 3-4xDBO – Proc. Físico-Químico
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS
Coagulante Observações pH Alúmen -
Al2(SO4)3.18H2O É o mais empregado 5,5 – 8,0
Aluminato Sódico – Na2Al2O4
Junto c/ o alúmen p/ descolorir águas
residuais
> 8,0
Sulfato Ferroso– FeSO4.7H2O
Adiciona-se álcalishidróxidos de ferro. Os flocos não se dissolvem em solns.
muito alcalinas
1,5 – 11,0
Coag. Férricos.-Fe2(SO4)3; FeCl3
--- 4,0 – 11,0
Óxido de magnésio - MgO
Elimina a sílica solúvel 9,5
Tabela 1. Coagulantes mais usados
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOSTabela 2. Coadjuvantes/auxiliares mais usados
Aniônicos Catiônicos Não-iônicos
Grupos carboxílicos sulfônicos fosfóricos
aminas quaternárias fosfaminas sulfaminas
poliálcoois poliésteres poliamidas
CONCEITOS BÁSICOSCONCEITOS BÁSICOS• Rotina para escolha do processo de tratamento:
Amostra do efluente bruto
Caracterização: DQO, DBO, sólidos
Jar test
Efluente tratado
Cálculo da eficiência
Análise de custos
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
• Mecanismos de coagulação:– Compressão da camada difusa;– Adsorção e neutralização de cargas;– Varredura;– Adsorção e formação de pontes;
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
• Compressão da camada difusa:– Introdução de um eletrólito de carga oposta a do colóide,
aumentando a densidade de cargas na camada difusa, ocorrendo a coagulação por compressão da camada difusa;
– Aspectos: quantidade de eletrólitos é independente da concentração de colóides e não é possível a reversão do processo;
– Efeito eletrostático;– Mecanismo associado principalmente aos sais de Al e Fe.
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
• Adsorção e neutralização de cargas:– Espécies químicas capazes de adsorver na superfície do
colóide, resultando em interações (ligações);– Estes fenômenos são superiores aos eletrostáticos; – Aspectos: dosagens menores para desestabilização;
quantidades estequiométricas; possibilidade de reversão;– Importante quando remoção de partículas desestabilizadas
ocorre em meio filtrante.
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
• Varredura:– Dependendo do pH, dosagem do coagulante poderá ocorrer
a formação de precipitados (Al(OH)3 e Fe(OH)3) ;
– Mecanismo utilizado quando a floculação é seguida de decantação ou flotação antes da filtração;
– Aspectos: dosagens maiores, faixa de pH mais estreita; o potencial zeta mínimo não corresponde às regiões ótimas de coagulação.
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
• Adsorção e formação de pontes:– Mecanismo baseado na adsorção dos coagulantes à
superfície das partículas coloidal, seguida pela redução da carga ou pelo “entrelaçamento” das partículas pelos polímeros ;
– Coagulantes são polímeros naturais ou sintéticos de cadeia longa (polieletrólitos).
Comparação entre os mecanismos de coagulação
Diagrama de coagulação do sulfato de alumínio
Mecanismos de coagulação e floculação
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
• Mistura rápida entre o coagulante e o efluente provocando a hidrolisação, polimerização e reação com alcalinidade;
• Formação do gel e desestabilização das cargas (potencial zeta tendendo a zero);
• Tempo de reação = 1s;• Mistura: misturadores hidráulicos ou mecânicos;• Tempo de residência: 0,5 à 1,5min;• Gradiente de velocidade: 500-1500s-1.
COAGULAÇÃOCOAGULAÇÃO
FLOCULAÇÃOFLOCULAÇÃO
• Unidade de mistura lenta;• Objetiva-se transformar o coágulo em partículas
maiores, denominadas flocos;• Gradiente de velocidade: 20-80s-1;• Tempo de residência: 30min;• Uso de auxiliares de coagulação (polieletrólitos);• Floculadores hidráulicos ou mecânicos (velocidade
não superior a 0,45m.s-1.
FLOCULAÇÃOFLOCULAÇÃO
Estação compacta – sistema de flocodecantação seguido de filtração
Estação compacta – sistema de flocodecantação seguido de filtração
ELETRÓLISEELETRÓLISE
• Histórico;
• Eletrólise: Transformações químicas que ocorrem nos eletrodos e no meio onde estão inseridos pela passagem da corrente elétrica;
• Tratamento eletrolítico: aplicação da eletrólise ao tratamento de efluentes;
• O efluente é submetido uma diferença de potencial elétrico por conjuntos de eletrodos;
ELETRÓLISEELETRÓLISE
• Mecanismos: • Eletrofloculação;• Eletroflotação;• Eletroxidação.
• Eletrodo positivo: anodo;
• Eletrodo negativo: catodo
ELETRÓLISEELETRÓLISEArranjos de eletrodos
ELETRÓLISEELETRÓLISEArranjos de eletrodos
ELETRÓLISEELETRÓLISEArranjos de eletrodos
ELETRÓLISEELETRÓLISE• Aplicações do processo eletrolítico:
• Remoção de metais;• Remoção de DQO/DBO (coagulável);• Remoção de substâncias recalcitrantes.
• Efluentes:• Galvanoplastia;• Hospitalares;• Chorume;• Abatedouros;• Indústria petroquímica.
ELETRÓLISEELETRÓLISE• Principais vantagens:
• Não geração de odores;• Menor área;• Facilidade e flexibilidade no controle do processo de
tratamento;• Menor quantidade de lodo;• Remoção significativa de macronutrientes;• Baixo custo de implantação;• Ideal para pequenas vazões.
• Principais desvantagens:• Custo de tratamento (alto consumo de energia e de eletrodos);• Dificuldade de remover DQO/DBO solúvel.
PROCESSOS OXIDATIVOS PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POAAVANÇADOS - POA
• Oxidar compostos orgânicos complexos a moléculas simples, ou até mesmo mineralizá-las
• Baseado na geração de radical hidroxila (OH.), altamente oxidante e não seletiva.
PROCESSOS OXIDATIVOS PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POAAVANÇADOS - POA
Sistema Com irradiação Sem irradiação
HomogêneoO3/H2O2/UV
O3/UV
H2O2/UV
Fe(II)/H2O2/UV
O3/H2O2
Fe(II)/H2O2
Heterogêneo semicondutor/UVsemicondutor/H2O2/UV
•Classificação
PROCESSOS OXIDATIVOS PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POAAVANÇADOS - POA
•Processos Homogêneos :•Fotólise de peróxido de hidrogênio (H2O2/UV);
•Ozonização (O3/H2O2;O3/UV;O3/H2O2/UV);
.22 2 HOOH h
.22
22223
2HOOH
OOHOHOh
h
PROCESSOS OXIDATIVOS PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POAAVANÇADOS - POA
FENTONFe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + HO.
Fe3+ + H2O2 Fe2+ + HO2. + H+
HO. + RH R. + H2OR. + H2O2 ROH + HO.
HO. + Fe2+ HO- + Fe3+
PROCESSOS OXIDATIVOS PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS - POAAVANÇADOS - POA
FOTO-FENTON
Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + HO.
Fe3+ + H2O + hv Fe2+ + HO. + H+
( = 580 nm)
PROCESSOS OXIDATIVOS PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOSAVANÇADOS
• Principais utilizações:
– Efluentes recalcitrantes (chorume, textil, químico);– Remoção de substâncias específicas (fenóis, HCN, H2S);– Biorremediação de solos.
ELETRODIÁLISEELETRODIÁLISE
• O efluente é submetido uma diferença de potencial elétrico por dois eletrodos;
• Existência de membranas seletivas;• Utilizada na dessalinização e desmineralização de
águas;• Método promissor na eliminação de nitrogênio e
fósforo;• Necessita pré-tratamento eficiente.
ELETRODIÁLISEELETRODIÁLISE
OSMOSE REVERSAOSMOSE REVERSA
• Aplicação de força superior a pressão osmótica da solução no compartimento de solução concentrada;
• Aplicação restrita no tratamento de efluentes industriais;
• Reuso;• Necessita pré-tratamento rigoroso.
OSMOSE REVERSAOSMOSE REVERSA
OSMOSE REVERSAOSMOSE REVERSA
CARVÃO ATIVOCARVÃO ATIVO• Fixação de poluentes por adsorção na superfície;• Material adsorvente possui área superficial elevada devido a
porosidade;• Remoção: cor, matéria orgânica dissolvida, fenóis, nutrientes
e sólidos em suspenão;• Sistemas são utilizados após sistemas de filtração com areia; • Tempo de residência: 15-40min;• Vantagem: capacidade de regeneração;• Outras substâncias adsorventes: turfa, cinzas, areia, casca de
extração de tanino.
CARVÃO ATIVOCARVÃO ATIVO
Filtro de carvão ativo
TROCA IÔNICATROCA IÔNICA
• Fixação, em uma superfície sólida (fase estacionária), de íons, que se trocam por íons da solução de outra espécie (fase móvel);
• Vantagem: Capacidade de regeneração;• Utilização em processos de galvanoplastia.
TROCA IÔNICATROCA IÔNICA
Troca iônica: Esquema
TROCA IÔNICATROCA IÔNICA
Troca iônica: efluente de galvanoplastia
TROCA IÔNICATROCA IÔNICA
REMOÇÃO DE FÓSFOROREMOÇÃO DE FÓSFORO
• Precipitação química:
– Fe3+ + PO43- FePO4 (E=90%)
– 3Ca2+ + 2P43- Ca3(PO4)2 (E=50%)
– Al3+ + PO43- AlPO4 (E=95%)
E=95%
•Dosagens devem ser determinadas experimentalmente.
REMOÇÃO DE NITROGÊNIO E REMOÇÃO DE NITROGÊNIO E FÓSFOROFÓSFORO
Esquema para remoção de fósforo e nitrogênio
REFERÊNCIASREFERÊNCIAS• Di BERNARDO, L.; DI BERNARDO, A. & CENTURIONE FILHO,
P. L. Ensaios de tratabilidade de água e dos resíduos gerados em estações de tratamento de água. Editora Rima/São Carlos/SP. 237p, 2002.
• METCALF & EDDY. Wastewater engineering: treatment, disposal and reuse. Ed. McGraw Hill. 1334p, 1993.
• NUNES, J. A. Tratamento físico-químico de águas residuárias industriais. Editora triunfo/Aracajú/SE. 299p, 2001.
• Anais do XXII Congresso da Abes, 2003.