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6 PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE REATORES ANAERÓBIOS POR SISTEMAS DE FLOTAÇÃO

Miguel Mansur Aisse, Décio Jürgensen, Marco Antonio Penalva Reali, Rogerio Penetra, Lourdinha Florencio e Pedro Alem Sobrinho

A qualidade dos efluentes de reatores anaeróbios, durante o tratamento de esgotos sanitários, em geral não atende às exigências ambientais. Consequentemente, é necessária a aplicação de um sistema complementar, de pós-tratamento, para a melhoria do efluente final da estação.

Uma alternativa atraente para o pós-tratamento desses efluentes anaeróbios é a flotação. A flotação remove sólidos em suspensão e, quando em combinação com agentes coagulantes, pode remover nutrientes, principalmente o fósforo, e parcela da matéria orgânica dissolvida. Afora estes benefícios, a flotação proporciona a redução dos teores de gases odoríferos, além de elevar o nível de oxigênio dissolvido, o que resulta num efluente de melhor qualidade.

6.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMADE FLOTAÇÃO

A flotação é um processo que envolve três fases: líquida, sólida e gasosa. É utilizado para separar partículas suspensas ou materiais graxos ou oleosos de uma fase líquida. A separação é produzida pela combinação de bolhas de gás, geralmente o ar, com a partícula, resultando num agregado, cuja densidade é menor que a do líquido e portanto, sobe à superfície do mesmo, podendo ser coletada em uma operação de raspagem superficial (METCALF & EDDY, 1991).

6.2.1 Tipos de Flotação

Existe uma variedade de técnicas para introduzir as bolhas de ar necessárias para a separação sólido-líquido por flotação e, exceto a flotação gravitacional natural, onde as partículas tem peso específico menor que o líquido que as contêm, os processos de flotação podem ser classificados de acordo com o método de produção das bolhas.

A eletroflotação é um processo utilizado para tratamento de efluentes radioativos, despejos com tintas e emulsões de pintura, no qual a obtenção das bolhas de H2 eO 2 é feita por eletrólise da água.

Em suspensões de algas, pode ocorrer a autoflotação, caso elas se tornem suficientemente supersaturadas com o oxigênio dissolvido da fotossíntese.

Na flotação por ar disperso, a formação de bolhas de ar é feita por agitação do líquido, à pressão atmosférica, e os diâmetros das bolhas produzidas são relativamente grandes, cerca de 1.0 m m, quando comparados com o tamanho dos sólidos (MAIA & BEZERRA, 1981).

Na flotação por ar dissolvido, as bolhas são produzidas pela supersaturação do líquido, com o ar, podendo ser efetuada a vácuo ou a pressão. No caso da floculação a vácuo por ar dissolvido, ou simplesmente flotação a vácuo, o líquido é saturado com ar, à pressão atmosférica e, em seguida, é aplicado vácuo ao líquido, quando são formadas as bolhas de ar. Na flotação por ar dissolvido por pressurização, ou simplesmente flotação por ar dissolvido (FAD), o ar é injetado na entrada de uma câmara de saturação, enquanto o líquido se encontra sob pressão. No interior dessa câmara ocorre a dissolução de ar na massa líquida pressurizada, sendo, em seguida, o líquido exposto a condições atmosféricas. A redução brusca de pressão provoca o desprendimento do ar na forma de minúsculas bolhas, que aderem às partículas em suspensão, flutuando à superfície. VRABLIK (1953) mostrou que as bolhas liberadas após a pressurização (140 a 350 kPa), variam de tamanho, de 30 a 120 m m. A flotação por ar dissolvido (FAD) permite maior flexibilidade ao processo, porque pode utilizar uma faixa de pressão maior, possibilitando um controle mais eficiente da quantidade de ar desprendido que, aliado ao pequeno tamanho das bolhas, constitui a principal vantagem no tratamento de efluentes.

6.2.2 Flotação por Ar Dissolvido

Os sistemas de FAD são utilizados de três formas, dependendo do método de pressurização empregado: pressurização total, parcial e com recirculação, como ilustra a Figura 6.1.

3 a) Sistema de flotação com pressurização total da vazão afluente

b) Sistema de flotação com pressurização parcial da vazão afluente

c) Sistema de flotação por ar dissolvido com recirculação pressurizada (FAD)

Figura 6.1 - Modalidades da flotação por ar dissolvido, com pressurização (FAD) Fonte: REALI (1991)

Na flotação por ar dissolvido com pressurização total do efluente, a totalidade de vazão afluente é pressurizada. Normalmente, é utilizada quando o líquido a ser clarificado possui material em suspensão que possa ser submetido à intensa agitação, o que é realizado pela bomba de pressurização (Figura 6.1a).

A flotação por ar dissolvido com pressurização parcial do afluente é semelhante ao caso anterior, diferindo apenas no fato de que, neste caso, somente uma parte da vazão afluente é pressurizada (Figura 6.1b).

Na flotação por ar dissolvido com recirculação pressurizada ocorre a pressurização de uma parcela do afluente já clarificado, recirculando e misturando a mesma com o afluente. Esta variação é aconselhável nos casos onde estão presentes no afluente partículas frágeis (flocos, por exemplo), as quais sejam suscetíveis de quebra de estrutura ao passarem pela bomba (Figura 6.1c).

A modalidade mais comumente empregada no tratamento de esgotos sanitários e de águas para abastecimento é a flotação por ar dissolvido com recirculação pressurizada. Isto deve-se principalmente por se ter a presença de flocos (frágeis) formados pela coagulação prévia das partículas a serem submetidas à flotação. Tais flocos não resistiriam aos esforços cizalhantes inerentes às outras modalidades. Desta forma, neste capítulo serão comentados apenas os aspectos operacionais e de projeto relacionados a essa modalidade de flotação, e que será designada simplesmente por FAD. A Figura 6.2 ilustra um esquema típico de sistema FAD aplicada ao tratamento de águas residuárias precedido de coagulação química.

ÿ Figura 6.2 - Flotação por ar dissolvido, com recirculação pressurizada (FAD), aplicada ao tratamento físico-químico de águas residuárias a) Tamanho das Bolhas

Um dos fatores essenciais que determinam o sucesso de sistemas FAD é o tamanho das microbolhas de ar presentes no flotador. A faixa recomendada de tamanho de microbolhas situa- se entre 10 e 100 m m, sendo desejável que a maior parte esteja em torno de 50 m mo u menos.

É importante que a "nuvem" de microbolhas de ar produzidas na entrada das unidades FAD seja uniformemente distribuída, permitindo que essas microbolhas exerçam seu papel com o máximo de eficiência. A principal função das microbolhas de ar no processo FAD é, conforme já comentado, diminuir a densidade dos conjuntos "flocos + bolhas" em relação à densidade da água e, dessa forma, quanto maior o volume de bolhas ligadas aos flocos (ou sólidos), menor a densidade relativa e maior a velocidade ascendente dos conjuntos "flocos + bolhas". Outras funções secundárias das microbolhas, quando o processo FAD é empregado para tratamento de esgotos, são o aumento do nível de oxigênio dissolvido no esgoto tratado, além do arraste de parcela dos gases odoríferos para fora do efluente final. A título de ilustração da importância do tamanho das microbolhas atuantes no processo FAD, na Tabela 6.1 são mostrados valores de concentração de microbolhas (Nb, em no de bolhas por mL de suspensão no interior da zona de reação). Para o cálculo dessas grandezas, foi utilizada a modelação do processo de flotação proposto por REALI (1991 e 1994).

Tabela 6.1 - Estimativa da concentração e da distância média entre as microbolhas de ar, presentes no início de uma unidade FAD, em função do diâmetro das microbolhas

Diâmetro das microbolhas (m)

Concentração (Nb): no de bolhas por ml de suspensão Distância média (D b) entre as microbolhas (m)

Notas: Sistema FAD com as seguintes características: pressão de saturação de 450 kPa; 95% de eficiência no sistema de saturação; 15% de recirculação pressurizada; temperatura do líquido igual a 20 ° C. Fonte: Cálculos efetuados com base no modelo proposto por REALI (1991)

Com relação aos dados mostrados na Tabela 6.1, pode ser visto que, para a flotação por ar dissolvido, quanto menor o tamanho médio das microbolhas de ar geradas no interior do flotador, mais eficiente será o processo, pois maior será a probabilidade de colisão entre as bolhas de ar e os flocos em suspensão e maior também a chance de se ter uma ligação mais estável entre as microbolhas e os flocos. Esse último fato é devido à velocidade ascensional, que cresce diretamente com o quadrado do diâmetro das microbolhas. Assim, bolhas maiores tenderão a se desprender mais facilmente da superfície dos flocos, após a colisão, devido às suas maiores velocidades ascensionais.

Além disso, segundo ETTELT (1964), bolhas de ar menores necessitam deslocar menos líquido da superfície dos sólidos (flocos) aos quais devam aderir, sendo, portanto, mais fácil sua aderência que a das bolhas maiores. Ademais, devido às menores velocidades ascensionais das bolhas menores, as mesmas apresentam maior tempo de permanência no interior do flotador, melhorando apreciavelmente a oportunidade de contato entre as bolhas e os flocos a serem removidos.

A título de ilustração, pode ser destacado que, para uma bolha de ar com diâmetro igual a um décimo do diâmetro de outra bolha, eqüivaleria um tempo de detenção 100 vezes maior que o tempo de detenção relativo à bolha maior.

Assim, evidencia-se a grande importância que os dispositivos de despressurização da recirculação apresentam em sistemas de FAD. Tais dispositivos são os maiores responsáveis pela definição da distribuição de tamanhos de microbolhas de ar a serem geradas na zona de reação dos flotadores. A Figura 6.3 ilustra a importância do dispositivos de despressurização da recirculação, para dois tipos diferentes de dispositivo de liberação da recirculação, um deles constituído de um bocal pantenteado pelo Water Research Centre (WRC), Inglaterra, e o outro constituído de uma simples válvula de agulha (ZABEL, 1982).

ÿ Figura 6.3 - Distribuição de tamanhos de bolhas produzidas por válvula de agulha e bocal tipo WRC. Fonte: ZABEL (1982) b) Coagulação e Floculação

Para que a flotação de esgotos sanitários tenha sucesso, além da presença de microbolhas de ar com distribuição de tamanho adequada, é necessário que se promova a coagulação química e a floculação das partículas dispersas na água.

Segundo ODEGAARD (1979), o processo de formação e separação dos flocos pode ser dividido em três etapas: coagulação/precipitação, floculação e separação (sedimentação, flotação ou filtração). Em todas as etapas há a formação de flocos, mas a formação inicial ocorre na primeira etapa. Após a coagulação, as partículas possuem tamanhos na faixa entre 0,5 m me 5 m me são denominadas partículas primárias. Na segunda etapa (floculação), as partículas primárias agregam-se em conseqüência das colisões promovidas, ocorrendo a formação de flocos maiores, na faixa entre 100 m m e 5000 m m.

Na coagulação, o processo é consumado em questão de segundos e relaciona-se com a química do processo, enquanto na floculação e na separação dos flocos, etapas que demandam tempo superior a alguns minutos, prevalecem os aspectos físicos do processo. Quando sais de ferro, sais de alumínio ou cal são adicionados às águas residuárias, ocorrem pelo menos dois processos diferentes e de interesse ao tratamento: coagulação (ou desestabilização) das partículas (colóides) e precipitação de fosfato solúvel.

O processo de coagulação é responsável pela separação das impurezas associadas a partículas, causando remoção de DBO no esgoto bruto entre 70% e 75% e remoção de sólidos suspensos entre 95% e 98% (ODEGAARD, 1979). Ainda segundo o referido autor, a maioria dos contaminantes presentes nas águas residuárias são constituídos por partículas sólidas ou estão associadas a elas.

As partículas suspensas nas águas residuárias variam entre 0,005 m m e cerca de 100 m m. A dupla camada elétrica existente em sua superfície impede a ligação entre as partículas coloidais. A desestabilização química é conseguida através da adição de produtos químicos desestabilizantes (coagulantes), que aumentam a tendência de agregação ou fixação dos colóides. Os coagulantes mais comuns são sais de ferro ou de alumínio, cal e polímeros orgânicos sintéticos.

ÿ Mecanismos de coagulação

Há quatro mecanismos diferentes de coagulação: compressão da camada difusa; adsorção e neutralização de cargas; varredura; adsorção e formação de pontes. Segundo ODEGAARD (1979), todos esses mecanismos, com exceção do primeiro, podem ocorrer no tratamento de águas residuárias.

Adsorção e neutralização de cargas: As macromoléculas naturais ou sintéticas (polieletrólitos) apresentam uma forte tendência de agregação nas interfaces. O sais de Fe3+ eA l3+ utilizados como coagulantes, são considerados polieletrólitos, porque formam elementos hidrolisados polinucleares, Meq(OH)nz+, que são prontamente adsorvidos na interface partícula-água. Quando uma quantidade de sais de Fe3+ ou de Al3+ é adicionada à água residuária e esta quantidade é suficiente para exceder a solubilidade máxima do hidróxido do metal correspondente, uma série de reações hidrolíticas ocorrem, originando, desde a produção de Al(OH)2+ ou de Fe(OH)2+,p or exemplo, até a formação de precipitados de hidróxidos de metais.

Nas águas residuárias, dosagens de Fe3+ ou de Al3+, suficientes para exceder a solubilidade máxima do hidróxido de metal, são sempre empregadas. Por essa razão, é plausível considerar que a desestabilização dos colóides neste sistema é proporcionada pelos complexos de Fe3+ ou de Al3+, que são cineticamente intermediários na eventual precipitação do hidróxido de metal. A quantidade de polímero adsorvido e, conseqüentemente, a dosagem de coagulante necessária para proporcionar a desestabilização dos colóides, dependem da quantidade de colóides presentes. Há, então, uma dependência “estequiométrica” entre a dosagem de coagulante e a concentração de colóides. Essas interações químicas específicas contribuem significativamente para a adsorção, e a desestabilização coloidal é facilmente constatada a partir da verificação de que esses coagulantes, em dosagem adequada, podem causar a reversão das cargas coloidais (ODEGAARD, 1979).

Varredura: Quando um sal de metal, tal como sulfato de alumínio ou cloreto férrico, ou um óxido (CaO), ou um hidróxido de metal, tal como Ca(OH)2, são empregados como coagulantes, em concentrações suficientemente altas para causar a rápida precipitação de um hidróxido de metal, Al(OH)3 e Fe(OH)3, por exemplo, ou de um carbonato de metal, CaCO3, as partículas coloidais são envolvidas pelos precipitados e, como este mecanismo não depende da neutralização de cargas dos colóides, a dosagem ótima de coagulante pode não corresponder à concentração de colóides a ser removida (ODEGAARD, 1979).

Adsorção e formação de pontes: Há uma grande variedade de compostos orgânicos sintéticos e naturais caracterizados por grandes cadeias moleculares, que possuem propriedade de apresentar sítios ionizáveis ao longo da cadeia e de atuar como coagulantes. Os polímeros podem ser:

• catiônicos: possuem sítios ionizáveis positivos;

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